Lässt sich der Reibungskoeffizient aus Grundlagen ableiten?

Es ist üblich, makroskopische Gesetze aus mikroskopischem Wissen ableiten zu wollen – schließlich sollte bei einer (korrekten) mikroskopischen Beschreibung alles Größere folgen.

Wurde jemals ein statischer/kinetischer Reibungskoeffizient einfach aus grundlegenden Materialeigenschaften berechnet? (z. B. die Kristallstruktur oder intermolekulare Kräfte). Ich habe einige Zeit im Internet gesucht und nichts gefunden (obwohl meine Ergebnisse von klassischen physikalischen Problemen gesättigt waren).

Falls ja, was war die allgemeine Strategie?

Nein. Reibung ist eine thermodynamische Kraft, also hängt sie von der Thermodynamik des Prozesses ab, der sie verursacht, und das ist nicht universell. Man kann die Reibungskräfte durch einfaches Strukturieren der Oberfläche so groß machen, dass die Materialien brechen oder abreiben, bevor die Oberflächen beginnen, sich gegeneinander zu bewegen. So funktionieren Tools wie eine Datei.
Der Reibungskoeffizient μ ist nicht für ein bestimmtes Material. Es ist eine kombinierte Eigenschaft für die Berührung der beiden Oberflächen – eine Eigenschaft des aktuellen Systems . Wenn Sie nur die Rauheit eines Materials betrachten möchten, werfen Sie einen Blick auf die R a Wert zB, der am häufigsten vorkommt, oder irgendein anderes mathematisches Mittel, um das zu beschreiben .
@CuriousOne Ich dachte, es gäbe nur vier grundlegende Kräfte. „Thermodynamische Kraft“ ist mir neu. Ich hätte vermutet, dass Reibung im Grunde eine elektromagnetische Kraft ist. Und es gibt eine weitere Option gegenüber dem Brechen oder Scheren – Sie können ein elastisches Nachgeben haben.
Eine thermodynamische Kraft wird durch zufällige mikroskopische Bewegungen in den Medien verursacht, wie z. B. Gasdruck. Diese Kräfte unterscheiden sich stark von den vier Grundkräften. Reibung ist im Allgemeinen keine elektromagnetische Kraft, obwohl man eine elektromagnetische Komponente identifizieren kann, die für einige Arten von Reibung verantwortlich ist. Reibung kann einfach durch die Geometrie verursacht werden, denken Sie an die Kräfte zwischen Zahnrädern und es muss eine Erwärmung verursachen, da es sich um eine nicht konservative Kraft handelt, daher die Notwendigkeit der Thermodynamik.
Ich wette, wenn Sie lange und gründlich genug darüber nachgedacht haben, könnte es einen Ansatz geben, um ein Modell abzuleiten, das zu einem statistischen Ergebnis führt. Der „Reibungskoeffizient“ stammt aus einem stark idealisierten, linearen Modell. Es gibt nichtlineare Modelle, die viel bessere Vorhersagen von Reibungskräften liefern, wie das Dahl-Modell, das unter anderem in dem Artikel hier angesprochen wird: mate.tue.nl/mate/pdfs/11194.pdf . Aber diese Modelle wurden nicht aus den Grundlagen abgeleitet.
Ja, es wurde gemacht. Siehe First-Principles-Theorie der Reibung im atomaren Maßstab Phys. Rev. Lett. 64, S. 3054 – Veröffentlicht am 18. Juni 1990
Beachten Sie das Einfache F f r = μ F N Beziehung, die Sie in der Einführungsphysik lernen, ist nicht ganz richtig. Zum Beispiel in dieser Verbindung, die Pentan bereitstellt, das abgeleitete μ ist eine Funktion der Normalkraft.

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Dies unterscheidet sich grundsätzlich nicht von der Berechnung der Reibung in einer Flüssigkeit (Scherviskosität). Die Viskositätstheorie geht auf Maxwell und Boltzmann zurück, und für viele Flüssigkeiten sind mikroskopische Berechnungen möglich. Festkörperreibung ist komplizierter, da es natürlich auf die exakte Vorbereitung der Oberfläche ankommt. First-Principles-Theorien konzentrieren sich daher auf idealisierte kristalline Oberflächen, siehe zum Beispiel diese beiden Artikel . Heutzutage können solche Systeme untersucht und Theorien mit Geräten im Nanomaßstab getestet werden. Dieses Gebiet ist als Nanotribologie bekannt.

Generell ja. Dies wurde jedoch nur für statische Reibungskoeffizienten durchgeführt.

Die Art und Weise, wie zwei Kontaktflächen interagieren, wird von der Tribologie-Community intensiv untersucht. Insbesondere das Gebiet, das die Mechanik der Wechselwirkung erforscht, wird als Kontaktmechanik bezeichnet.

Probleme der Kontaktmechanik analytisch/numerisch anzugehen, geschieht oft durch Lösen der Elastizitätsgleichungen. Durch die quantitative Vorhersage der Kräfte und Verformungen der sich berührenden Körper kann der Reibungskoeffizient berechnet werden. Zu diesem Thema wurde viel geforscht: angefangen von der bahnbrechenden Arbeit von Hertz bis hin zu zeitgenössischeren Arbeiten wie A Static Friction Model for Elastic-Plastic Contacting Rough Surfaces und Static Friction Coefficient Model for Metallic Rough Surfaces .

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