Studium parciálního skluzu v kapalinách s využitím vysokofrekvenčních střižných kmitů

Abstract

Byl studován kontakt mezi koulí a deskou pod tangenciálním zatížením ve vodě. Jako zdroj střižných kmitů byl použit akustický rezonátor (křemíkové mikrováhy – QCM). Kontakt koule s povrchem resonátoru indukuje změnu resonanční frekvence a šířky pásma. Byla měřena změna frekvence f a změna šířky pásma v závislosti na amplitudě oscilací. S rostoucí amplitudou docházelo k poklesu f a růstem , což je chování typické pro parciální skluz. Díky aplikaci Cattaneo-Mindlinova modelu byl vypočítán kontaktní poloměr a třecí koeficient. Kontaktní poloměr při nízké amplitudě stoupal při zvětšujícím se normálovým zatížením. Tato závislost se dobře shodovala s JKR modelem. Třecí koeficient se nacházel v odpovídajícím rozsahu. Při zvyšování externí normálové síly, docházelo k nepatrnému snižování hodnoty třecího koeficientu. Toto chování je vysvětleno příspěvkem adhezivních sil k totální normálové síle. Výpočtem byly získány dva typy třecích koeficientů, první ze změny frekvence f a druhý ze změny šířky pásma . Tyto dvě hodnoty se spolu shodovaly z ± 20 % pro měření prováděná ve vodě, zatímco pro dvě měření prováděných na hydrofilním povrchu ve vzduchu se lišila. Tento nesoulad poukazuje na nedostatek Cattaneo Mindlinovy teorie a mohl by být vysvětlen přítomností kapilárních sil.The sphere-plate contact under normal and tangential load in water was studied. As a source of shear oscillation the acoustic resonator (a quartz crystal microbalance - QCM) was used. The contact of a sphere with the surface of resonator induces a shift of resonance frequency and bandwidth. The dependence of the frequency shift f and bandwidth shift on the amplitude of oscillation were measured. With increasing amplitude, a decrease in f and an increase in were observed. This behaviour is characteristic for partial slip. Applying the Cattaneo-Mindlin model, the contact radius and the friction coefficient were calculated. The contact radius in the limit of small amplitudes increases with increasing normal load. For this dependency, the data fit well to the JKR model. The friction coefficient is of the order of unity, as it should be. It slightly decreases with increasing external normal force, which can be explained with an adhesive force contributing to the total normal force. The formalism yields two separate values for friction coefficient, the first is derived from the frequency shift and the second is derived from the shift in bandwidth. These two values agree with each other within ± 20 % for experiments in liquids, while they differ by about a factor of two for experiments with hydrophilic surfaces in air. This is tentatively explained with capillary forces. The discrepancy points to a shortcoming of the Cattaneo Mindlin theory.