С. В. Фёдоров Анализируется принципиальное существо внешнего трения как трансформатора движения (энергии). Выявлены эволюционные осо - davaiknam.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Промышленные технологии нанокомпозитных покрытий с низким коэффициентом... 1 111.05kb.
Закон всемирного тяготения. Вес тела. Невесомость. Трение. Сила трения. 1 61.89kb.
Савченко Оливер Яковлевич, д ф. м н, профессор. Сила трения 1 21.34kb.
План урока. Тема урока: Силы сопротивления движения. Сила трения... 1 78.43kb.
Основы теории трения и изнашивания внутреннее трение и внешнее трение 5 641.37kb.
Урок физики в 7-м классе по теме "Ох эта сила трения, ах эта сила... 1 72.07kb.
Лабораторная работа №5 определение коэффициента внутреннего трения... 1 131.51kb.
Закон cохранения механической энергии Если в замкнутой системе не... 1 15.64kb.
Вынужденные колебания 1 73.17kb.
Референс-лист Подшипники жидкостного трения и запасные части 1 274.46kb.
Сопротивление движению и силы трения 6 901.65kb.
Конспект урока физики проведенного в 7 классе по теме: «Плавание... 1 110.19kb.
Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

С. В. Фёдоров Анализируется принципиальное существо внешнего трения как трансформатора - страница №1/1



УДК 531.43
ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭВОЛЮЦИИ ТРЕНИЯ С ПОЗИЦИЙ САМООРГАНИЗАЦИИ И СИНЕРГИЗМА
С.В.Фёдоров

Анализируется принципиальное существо внешнего трения как трансформатора движения (энергии). Выявлены эволюционные особенности поведения трения. Эволюция трения обладает механизмом самоорганизации и имеет синергетические свойства.


Трение, движение, энергия, баланс, диалектика, эволюция, самоорганизация, синергизм

Внешнее трение как существо сопротивления относительному перемещению (движению), возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, представляет собой глобальный природный феномен. Исследованию трения посвящена междисциплинарная наука – трибология. Сложность и многогранность проявлений трения отражена возникновением в последние десятилетия многих самостоятельных и узкодифференцированных направлений в самой трибологии – трибомеханика, трибофизика, трибохимия, трибоматериаловедение, трибобиология и др.

Такое узко дифференцированное изучение трения затрудняет его общий анализ, который наиболее характерен для фундаментальной прагматики инженерных знаний.

В этом отношении целесообразен синергетический подход. Герман Хакен [1] вводя термин «синергетика» (с греческого «совместное действие») вкладывал в него два смысла.

К сказанному выше, первоначально, уместен второй. Необходим подход, требующий для своей разработки сотрудничества специалистов из разных областей. Поэтому, конечно, основная цель трибологии, как междисциплинарной науки – это поиск общего в много и сложно дифференцированной науке о трении.

Здесь, в наиболее общем случае - это попытка сблизить и объединить два равноправных и плодотворных подхода к анализу общей проблемы деформируемых твердых тел – механико-математическому и физико-материаловедческому. Одному – оперирующему со сплошной средней, другому – имеющему дело с реальным структурным устройством материалов.

В этой связи термодинамический метод, как наиболее общий, более чем синергетическим может быть [2,3].

Трение рассматривается [4] как глобальный природный феномен трансформации движения (энергии) материи, как таковой.

Вводится принцип номинальных трибосистем [4], которые созданы в результате естественных, эволюционно-трансформационных процессов движения в природе.

Соответственно, определяется принцип действительных (машинных) трибосистем – как совокупное множество систем с трением, созданных человеком при его активной сознательной деятельности, именно как целесообразность машинного элемента.

Делается вывод о том, что исследование основных закономерностей трения следует осуществлять именно в аспекте анализа общих закономерностей движения (энергии) и его трансформации в самой трибосистеме (объекте трения). Соответственно, трибосистема (как целое), в наиболее общем смысле, количественно характеризуется уравнением энергетического баланса.

В качестве обобщенной модели трансформации движения и диссипации энергии трибосистемой, рассматривается модель деформируемого твердого тела, предложенная в рамках концептуальной теории - эргодинамики деформируемых тел [2,3]. Здесь проявляется первый смысл синергетики по Г.Хакену. Синергетика – теория возникновения новых свойств у целого, состоящего из взаимодействующих объектов.

Деформируемое тело [5] рассматривается как открытая, многокомпонентная, существенно неоднородная и неравновесная система, представляющая иерархию (суперпозицию) статистически равномерно распределенных по объему локальных метастабильных структурных элементов различных уровней (от субмикро- до макроуровня).

Макроскопическое явление пластической деформации, повреждаемости и разрушения элемента твердого тела [5] рассматривается как кооперация огромного числа микроскопических элементарных актов (процессов) атомно-молекулярных перегруппировок в поле внешних сил (механических, термических, электрических и др.), активируемых флуктуациями тепловой энергии. Из достаточно детальной в теории дислокаций классификации микроскопических механизмов, контролирующих явление, выделены две наиболее характерные группы – адаптивная и диссипативная; первая из которых связана с постепенным накоплением дефектов кристаллического строения и искажений структуры, а вторая – с тепловыми эффектами.

С термодинамической точки зрения [5] пластическая деформация, повреждаемость и разрушение твердого тела - это конкуренция двух (указанных выше) противоположных, взаимосвязанных и одновременно протекающих в деформируемых объемах тела групп микроскопических процессов, связанных с ростом плотности скрытой энергии различного рода дефектов и повреждений (зарождающихся и накапливающихся в системе вследствие работы внешних сил ) и снижением ее в силу диссипации. Первой группе соответствует деформационное упрочнение (наклеп) и повреждаемость материала, а второй - динамический возврат (отдых), обусловливающий тепловой эффект пластической деформации .

Уравнение энергетического баланса процесса пластической деформации и разрушения для единицы деформируемого элемента твердого тела [5] имеет вид:



. (1)

Накапливаемая в деформируемом элементе тела внутренняя энергия определяется суммой двух составляющих – скрытой и тепловой:



. (2)

Тепловой эффект пластической деформации можно определить как сумму двух составляющих:



. (3)

Здесь , - статическая и динамическая удельные компоненты диссипации энергии.

Интенсивность указанных тенденций определяется скоростью накопления в деформируемых объемах скрытой энергии и мощностью теплового эффекта пластической деформации .

Соотношения между составляющими энергетического баланса процесса пластической деформации и разрушения реальных твердых тел могут быть самыми разнообразными и зависят как от физико-химической природы и структуры материала, так и условий, в которых протекает процесс деформирования.

За параметр повреждаемости и критерий разрушения принимается [5] плотность внутренней энергии , накопленной в деформируемом элементе тела. Согласно эргодинамической теории [2,3,5], тело считается разрушенным, если хотя бы в одном макрообъеме, ответственном за разрушение, плотность внутренней энергии достигает предельной (критической) величины . Данному моменту соответствует появление в системе бифуркаций, образование трещины критического размера, резкая локализация процесса в устье трещины.

Условие локального условие локального разрушения записывается в виде


, (4)

где - плотность внутренней энергии в локальном объеме в исходном (до деформирования ) состоянии; - удельная скорость изменения внутренней энергии в локальном объеме, ответственном за разрушение; - параметр, характеризующий координаты локального объема, ответственного за разрушение.

Общие закономерности поведения деформируемого твердого тела [2,3,5] представляются кинетическими уравнениями - состояния (адаптации) системы

(5)

и диссипативного процесса



, (6)

описывающие кинетику накопления в деформируемых объемах скрытой энергии и динамического возврата (теплового эффекта ) пластической деформации.

Здесь и - кинетические коэффициенты; - структурные параметры, характеризующие локальность и неоднородность элементарных актов по объему элемента тела.

; (7)

; (8)

; ;(9)

, , (10)

где - энергия активации образования и диффузии элементарных дефектов -го типа; - гидростатическое напряжение и интенсивность напряжений; - атомный объем; - постоянная Больцмана; - постоянная Планка; - модули сдвига и объемной упругости.

Таким образом, всю совокупность механико-физико-химических явлений на контакте трения можно рассматривать как совокупность микроскопических механизмов преобразования (трансформации) энергии движущихся поверхностей.

В рамках трибоэргодинамики [4], как дальнейшего развития общей эргодинамики деформируемых тел [2,3,5], выполнен термодинамический анализ трения и получены уравнения энергетического баланса трения. Для коэффициента трения (реальных контактных объемов при трении без смазки) эти уравнения имеют вид



, (11)

. (12)

Здесь ; - деформируемые объемы трения трибопары; ; (), () – статические и динамические компоненты диссипации энергии при трении.

Предлагается энергетическая интерпретация коэффициента трения. Для условий, характеризуемых малыми скоростями скольжения и незначительным тепловым эффектом трения (), уравнение энергетического баланса трения представляет коэффициент трения в обобщенном виде как

; ; ; . (13)

Делается вывод о глубоком физическом смысле коэффициента трения Леонардо да Винчи (Амонтона). С одной стороны - это параметр, характеризующий обобщенно сопротивление относительному перемещению (движению) поверхностей, ибо он отражает долю энергии, которая «уничтожается» трением в виде запасенной скрытой энергии , по отношению к параметру () - работе внешних сил (энергии внешнего относительного движения). Нагрузка воспринимается как квазимасса трения, совершающая на пути работу. С другой стороны - это обобщенная характеристика повреждаемости, ибо он (коэффициент трения) определяется плотностью скрытой энергией , характеризующей меру дефектности структуры и являющейся обобщенным параметром повреждаемости. Здесь же, коэффициент трения однозначно отражает обобщенно структурное совершенство (несовершенство) деформируемого контактного объема, т.к. параметр определяется энергией различного рода дефектов и повреждений, накапливаемых в контактных объемах тела , и в соответствии с основным выводом термодинамической теории прочности В.В.Фёдорова [5] является обобщенным параметром () состояния.

Применение уравнений энергетического баланса трения (11)-(13), с учетом общей кинетики деформирования (7)-(10), к современному обобщенному эксперименту трения [4] позволило представить структурно-энергетическую диаграмму эволюции трущихся поверхностей (рис.).

Рис. Структурно-энергетическая диаграмма эволюции трущихся поверхностей [4]


На диаграмме выявлены точки (1-5) переходных состояний трибосистемы в процессе ее эволюции и определены наиболее характерные (принципиальные) значения коэффициента трения в этих точках, а также рассмотрен их физический смысл [4].

Это в свою очередь позволило выявить наиболее характерные этапы в эволюции трибосистем на зависимостях [4]. Так (рис.) можно видеть следующие условно обозначенные точки и этапы: 0-1 - участок статического трения и деформационного упрочнения; 1 - точка предельного деформационного упрочнения; 1-2 - участок накачки избыточной энергии; 2 - точка схватывания и перехода внешнего трения во внутреннее (критической неустойчивости); 2-3 - участок образования диссипативных структур (формирование тепловой флуктуации в объеме трения); 3 - точка минимальной совместимости (максимальной фрикционности); 1-2-3 - область приспособления (адаптации) и самоорганизации; - участок совместимости; - точка безызносности (аномально-низкого трения); 5 - точка термического схватывания.

В наиболее общем случае закономерности эволюции (адаптации) трибосистем можно представить в виде двух этапов. Первый (0-2) - этап возрастания плотности скрытой энергии до предельной величины в некотором критическом объеме трения . Второй (2-4) - этап распада (трансформации) критического объема трения (элементарной трибосистемы) на адаптивный и диссипативный объемы. В пределе (точка ) этот этап характеризуется полным превращением адаптивного критического объема в объем диссипативный .

Эти объемы характеризуют различные закономерности преобразования энергии внешнего механического движения при трении. Адаптивный объем связан с необратимым поглощением энергии деформации. В этом объеме происходит накопление скрытой энергии деформации , и зарождаются очаги разрушения. Диссипативный объем способен обратимо трансформировать (рассеивать) энергию внешнего движения. В нем не происходит накопления скрытой энергии деформации за счет протекания обратимой упруго-пластической деформации.

Выполненные теоретические и расчетные оценки [4] показали, что диссипативный объем трения осуществляет обратимую упругую трансформацию энергии внешнего механического движения с плотностью , равной критической плотности скрытой энергии . Физическое различие этих двух плотностей свободной энергии заключается в том, что - это плотность упругой энергии различного рода дефектов и повреждений структуры, которая характеризует необратимость процесса преобразования внешнего механического движения, а - плотность упругой энергии колебательного движения атомов (плотность кинетической энергии атомных осцилляторов, равная их потенциальной энергии), обладающей свойством обратимо возвращаться внешнему механическому движению.

В целом, выполненный теоретико-расчетный анализ трансформации энергии элементарной трибосистемой (деформируемым контактом [4]) показывает, что идеальная эволюция трибосистемы (материальной точки) начинается и заканчивается в упругих областях, между которыми существует полный трансформационный цикл эволюции пластической (необратимой) компоненты трения. При идеальной эволюции трибосистемы адаптивный (Амонтона) коэффициент трения в точке 2 диаграммы резко падает, достигая величины упругого коэффициента трения , т.е.



. (14)

Показывается [4], что величина минимального адаптивного объема трения , соответствующая нулевому значению пластической компоненты трения , равна размеру некоего механического кванта – минимальное число атомов, способных обеспечить такое их конфигурационное распределение (нано-структуру), которое обладает свойством обратимо воспринимать и рассеивать (возвращать) энергию внешнего механического движения. Он также представляет собой наименьшее структурное образование в условиях пластической деформации и образуется при переходе трибосистемы (деформируемого объема) через предельно активированное (критическое) состояние (см. рис.) вследствие развития самоорганизационных процессов адаптации трибосистемы. В объеме трения (элементарной трибосистемы) количество таких механических квантов (трибоподсистем) равно , т.е. безопасному числу циклов усталости. Размер минимального адаптивного объема трения по своей величине совпадает также с размером субмикроскопической зоны в устье трещины, которая для металлов равна , т.е. с размером критического объема, ответственного за разрушение.

Строгие представления о механическом кванте получены [4], рассматривая для т.4 диаграммы эволюции трения уравнение квазиидеального твердого тела

, (15)

которое есть частный случай решения уравнений энергетического баланса трения (11), при и .

Соответственно, в условиях максимальной совместимости (т.4), когда трибосистема реализует полный эволюционный цикл приспособления с образованием наиболее совершенной, диссипативной структуры, ее (структуры) поведение подчиняется уравнению состояния квазиидеального твердого тела, т.е. следует полагать, что взаимодействия между элементами этой структуры минимизированы – состояние идеальной упругости.

Далее это уравнение, с учетом формулы Планка-Больцмана и с учетом реального числа атомных осцилляторов в объеме элементарной трибосистемы, приводится к виду



; (16)

(17)

Анализ и решение этих уравнений [4] позволило показать принцип постоянства величины вероятности (параметра состояния (порядка) трибосистемы) для всего диапазона совместимого трения, а именно и .

Число термодинамической вероятности состояния , равное 20,086 было интерпретировано [4] как наименьшее число линейных осцилляторов в одном из трех направлений минимального адаптивного объема трения , соответствующего состоянию практически абсолютно упругого трения - аномально низкого трения (безопасному порогу деформации). Соответственно число осцилляторов в этом объеме равно .

С другой стороны, принимая смысл энтропии по Больцману, получена универсальная постоянная трения [4], которая по физическому смыслу характеризует «энергетический размер» элементарной трибосистемы (ТС), содержащей в идеальных условиях одинаковое число атомных осцилляторов (механических квантов).

Рассматривается модель квантового демпфирования поверхностей (элементарной трибосистемы) при трении [4]

, , (18)

, (19)

где - постоянная деформирования (трения); - энергия одного механического кванта; постоянная Больцмана; - число усталости, т.е. число механических квантов, демпфирующих процесс; - безопасное число усталости; - число механических квантов разрушения.

Согласно этой модели в условиях наиболее полной эволюции (адаптации) элементарной трибосистемы (деформируемого объема) все механические кванты за исключением одного, упруго и обратимо трансформируют энергию внешнего воздействия (механического движения). Один квант излучения (8103,644 атомов) – есть минимальная потеря (существо безызносности).

Идеальное, квазиупругое состояние контакта при его полной эволюции представляет собой эффект наиболее полного рассеяния энергии внешнего механического движения по вновь образованным (по механизму самоорганизации в окрестности точки 2 (рис.)) структурным элементам – механическим (нано) квантам (динамическим осцилляторам). Механические кванты можно рассматривать как теоретические кристаллы сферической формы (идеальный фрактал), которые взаимодействуют друг с другом, реализуя, наиболее полную схему их совместного колебательно-вращательного поведения относительно друг друга в объеме элементарной трибосистемы. При этом сопротивление их относительному взаимодействию минимально – упруго и соответствует упругости идеальных атомарных (термодинамически равновесных) взаимодействий на уровне электронных оболочек.

Соответственно рассмотрены [4] физические и количественные закономерности формирования совместимого трения диссипативных структур, обладающих долговечностью пропорциональной числу циклов нагружения () элементарной трибосистемы до предельного состояния. В области диапазона совместимости (рис.) существует набор дискретных уровней совместимого трения, подчиняющихся квантовой модели демпфирования поверхностей. Эти уровни квантово различаются по степени рассеяния энергии по структурным элементам диссипативных структур, обладающих возрастающей степенью фрактально-геометрического их совершенства, в направлении к точке идеально-упругого (аномально-низкого) трения (т.4).

Учитывая принцип квантовых уровней совместимого трения, степень совершенства диссипативных структур трения в области совместимости, возможно оценивать, сопоставляя развороты структурных элементов в пропорции к полному обороту (осцилляции) механического (нано) кванта, т.е. - элементарный фрактальный (видимо, по дисклинационному механизму) угол разворота структурных элементов при квазивязкой, упруго-пластической деформации объема трения.

Таким образом, синергизм при эволюции трения проявляется в возникновении действительно новых свойств у целого, элементарной трибосистемы, образованной в т.2 – центре самоорганизационных процессов. Эти новые свойства есть существо коллективного, действительно совместного, взаимодействия совокупности механических (нано) квантов в т.4 идеальной эволюции трибосистемы. Нанокванты как трибоподсистемы в их упругом взаимодействии реализуют наивысшую совместимость трибоматериалов и соответственно максимум долговечности элементарной трибосистемы.

Полученное уравнение [4] для идеальной трибосистемы



представляет ее, трибосистему, как целое, обладающую предельным признаком идеального структурирования на совокупность трибоподсистем - механических (нано) квантов.

Самоорганизация как механизм приспособления трущихся поверхностей начинается в т.1 (диаграмма) предельного деформационного упрочнения контактных объемов, которые одновременно находятся в условиях всестороннего неравномерного сжатия (; ). В т.1 энергия предельного деформационного упрочнения затрачивается на образование (впрыск) неравновесных вакансий. Источниками этих вакансий являются сами очаги предельного деформационного упрочнения. В итоге эволюция трибосистемы за т.1 подчиняется условию равенства работ внешних (деформационное упрочнение) и внутренних (накачка неравновесных вакансий) сил. Поэтому в т.2 диаграммы имеем величину коэффициента трения, равную двум (действительно двойной баланс энергии), а состояние контактного объема – как суперпозицию двух равных по величине энергетических полей – дислокационного и вакансионного. Суперактивированное (сильновозбужденное) состояние, но равновесие (внутреннее) далекое от состояния равновесия (исходного, до деформирования).

Теперь в точке бифуркации 2 трибосистема получает шанс к дальнейшей самоорганизации – подвижные вакансии создают условия для взаимодействия дислокационных полей, их движения и аннигиляции на стоках. Образуется тепловая флуктуация в объеме трения – в т.3 устанавливается новое равновесие – плотность скрытой энергии равна плотности тепловой энергии . Контактный объем претерпевает структурную перестройку. Итогом является новая структура, которая по отношению к состояниям т.1 и 2 обладает вдвое меньшей повреждаемостью, но главное – она способна во время самого акта нагружения трибосистемы, рассеивать тепловую энергию, равную энергии предельного состояния. Образуется статический осциллятор трения. Ниже т.3 объем трения претерпевает более глубокое превращение – к объему статического осциллятора (адаптивный объем) условно добавляется объем динамического осциллятора, самоподобный физике механического кванта (см.выше) - объем диссипативных структур, уменьшая первый в направление к т.4. Все это увеличивает долю кооперативных (поведенческих) механизмов в трибосистеме, что увеличивает ее признак целого.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хакен Г. Синергетика. М.: Мир, 1980.

2. Фёдоров В.В. Эргодинамика и синергетика деформируемых тел. - ФХММ, 1988.-№1.-С.32-34.

3. Фёдоров В.В. Эргодинамическая концепция разрушения/ Проблемы прочности//.-1991.-№8.- С. 48-58, №10.- С.31-35.

4. Фёдоров С.В. Основы трибоэргодинамики и физико-химические предпосылки теории совместимости. – Калининград.: КГТУ, 2003. – 415 с.

5. Фёдоров В.В. Термодинамические аспекты прочности и разрушения твёрдых тел.-Ташкент: НАУКА, 1979.-186с.

S.V.Fedorov

THE GENERAL FRICTION EVOLUTION REGULARITIES WITH SELFORGANIZATION AND SYNERGETICS POSITIONS



The movement (energy) transformation phenomenon as the principal friction essence is analyzed. The evolution peculiarities of friction behavior had exposed. The friction evolution has the selforganization and synergetics property.






К тому, кто не проводит реформ, постучит Реформация. Станислав Ежи Лец
ещё >>