Reibung zwischen Flüssigkeit und fester Oberfläche

Tribologie (nicht das Studium von Stämmen!) ist das Studium dessen, was passiert, wenn Dinge „reiben“. Dies beinhaltet Reibung und Verschleiß, wenn Feststoffe an anderen Feststoffen reiben (z. B. in mechanischen Lagern), und die Wirkung von Flüssigkeiten (z. B. "Schmierstoffen") und anderen Fluiden.

Reibung an einer Fest-Flüssig-Grenzfläche wird immer noch als Reibung bezeichnet. Es ist eine „dämpfende“ oder „dissipative“ Kraft, teilweise aufgrund der Viskosität der Flüssigkeit (innere Reibung), aber auch abhängig von anderen (externen) Faktoren wie der „Rauigkeit“ der festen Oberfläche.

Während die Reibung zwischen zwei Festkörpern typischerweise als „statische“ und „kinetische“ Reibung beschrieben wird, wobei die „Rauheit“ jeder Oberfläche proportional zum Reibungskoeffizienten (sowohl statisch als auch kinetisch) ist, ist das Vorhandensein einer Flüssigkeit auf der Oberfläche ändert die Reibung durch Einführung von Fluiddynamik. Es gibt keine statische Reibung mehr und die kinetische Reibung wird jetzt nicht nur durch die Oberflächenrauheit, sondern auch durch die Eigenschaften der Flüssigkeit, einschließlich der Viskosität, beeinflusst.

Eine Flüssigkeit, die entlang der Oberfläche eines Festkörpers fließt, erfährt aufgrund ihrer Rauheit eine Scherspannung an der Oberfläche. Da die Lösung der maßgeblichen strömungsmechanischen Gleichungen die Kenntnis der Randbedingungen erfordert, wird in den meisten Fällen die Geschwindigkeit der Flüssigkeit an der festen Oberfläche mit Null angegeben, was als "No-Slip"-Bedingung bekannt ist.

In einigen Fällen kann eine Flüssigkeit in der Nähe der festen Oberfläche eine sehr niedrige Viskosität aufweisen, so dass sie relativ zur Oberfläche des Feststoffs eine gewisse Geschwindigkeit (nicht null) haben kann, was als "Schlupf" bekannt ist.

In diesem Fall ist unten das Geschwindigkeitsprofil der Flüssigkeit relativ zum Feststoff dargestellt.

Die extrapolierte Distanz innerhalb der festen Oberfläche, wo sonst die tangentiale Geschwindigkeitskomponente der Flüssigkeit verschwinden würde, wird als Navier-Gleitlänge bezeichnet .$L_s$.

Diese Gleitlänge wird (unter anderem) durch eine schwache Flüssigkeits-Feststoff-Anziehung, Oberflächenrauhigkeit, hohe Schergeschwindigkeiten und Nukleation von Nanobläschen an hydrophoben Oberflächen beeinflusst.

Auf konzeptioneller Ebene ist ein tiefes Verständnis der Reibung, von der atomaren bis zur makroskopischen Ebene, ziemlich komplex und beinhaltet die Betrachtung der Wechselwirkung von Elektronen (z. B. Van-der-Waals-Bindungen in Flüssigkeiten) und wie sich Energie durch ein „Atomgitter“ ausbreitet. . Die Schwingung von Atomen (oder Ionen), die aneinander gebunden sind, kann durch einen Begriff von Quanten-„Quasiteilchen“, bekannt als „Phononen“, beschrieben werden. Reibung tritt auf, wenn Dinge aneinander „reiben“, weil Energie an der Oberfläche durch die Wechselwirkung von Elektronen und Phononen übertragen wird, wie durch die Wirkung von Schall (Phononen mit niedriger Frequenz) und Wärme (Phononen mit höherer Frequenz) beobachtet wird.

Die Reibung zwischen einem Feststoff und einer Flüssigkeit ist eine Funktion der Viskosität.

Der beste Weg, dies zu beantworten, ist ein Modellaufbau namens Couette-Fluss , bei dem eine zwischen zwei Platten eingeschlossene Flüssigkeit durch die Bewegung der oberen Platte beschleunigt wird:

^{Bildquelle: University of Virginia, Physik 152, unterrichtet von Michael Fowler}

Die Reibungskraft$F$dass die Flüssigkeit auf die Platte ausübt (sich ihrer Bewegung entgegensetzt), ergibt sich aus der einfachen Gleichung, die hier zu finden und unten wiedergegeben ist:

$F = \mu A\frac{u}{y}$

$\mu = shear\ viscosity\ of\ fluid$
$A = area\ of\ top\ plate$
$u = speed\ of\ top\ plate\ (v_o\ in\ the\ diagram\ above)$
$y = separation\ of\ the\ two\ plates\ (d\ in\ the\ diagram\ above)$