Tarcie wewnętrzne - Polski Serwis Naukowy

Tarcie wewnętrzne – w fizyce ciała stałego - miara strat energii mechanicznej zachodzącej w ośrodku. Także zbiorcza nazwa mechanizmów prowadzących do powstania takich strat. Pomiar i analiza tarcia wewnętrznego jest domeną spektroskopii mechanicznej.

W fizyce płynów tarcie wewnętrzne jest utożsamiane z lepkością, lub jest używane dla określenia mechanizmów powodujących lepkość. Opory tarcia wewnętrznego wynikają z istnienia sił kohezji i zależą od swobody przemieszczania się cząsteczek.

Dyslokacja krystaliczna - liniowa wada (defekt) budowy sieci krystalicznej polegająca na nierównomiernym rozmieszczeniu węzłów wzdłuż odpowiedniej linii.

Atom międzywęzłowy - atom zajmujący pozycję poza węzłami sieci krystalicznej. Jest rodzajem defektu punktowego w sieci krystalicznej. Atomem międzywęzłowym może być zarówno rodzimy atom, jaki i atom domieszki.

Definicja

W fizyce ciała stałego tarcie wewnętrzne, oznaczane zwykle przez Q, jest zdefiniowane przez $Q^{-1}=\frac {\Delta W} {2 \pi W}$ ,

gdzie W - energia zgromadzona w jednostce objętości drgającego ośrodka ΔW - energia tracona w jednostce objętości drgającego ośrodka w czasie jednego okresu

W przypadku małego tłumienia tarcie wewnętrzne jest związane z logarytmicznym dekrementem tłumienia swobodnych drgań ośrodka Λ poprzez równanie

Kohezja - ogólna nazwa zjawiska stawiania oporu przez ciała fizyczne, poddawane rozdzielaniu na części. Jej miarą jest praca potrzebna do rozdzielenia określonego ciała na części, podzielona przez powierzchnię powstałą na skutek tego rozdzielenia.

Dobroć Q - wielkość charakteryzująca ilościowo układ rezonansowy. Określa, ile razy amplituda wymuszonych drgań rezonansowych jest większa niż analogiczna amplituda w obszarze częstości nierezonansowych. Dobroć wyraża się wzorem:

$Q^{-1}=\frac {\Lambda} {\pi}$ ,

Mechanizmy powodujące powstanie tarcia wewnętrznego

Istnieje wiele mechanizmów mogących prowadzić do strat energii mechanicznej w ciałach stałych. Znaczne straty energii stwierdza się w temperaturach w pobliżu przemian fazowych. Kilka mechanizmów związanych jest z defektami sieci krystalicznej: punktowymi (w tym z domieszkami), dyslokacjami i z defektami płaskimi (w temperaturach bliskich temperaturze topnienia). Najczęściej spotykane mechanizmy tarcia wewnętrznego to:

Przemiana fazowa (przejście fazowe) to taka zmiana układu fizycznego lub chemicznego, której towarzyszy skokowa zmiana parametrów układu, np. ciepła właściwego układu lub jego składowych.

Płyn – każda substancja, która może płynąć, tj. dowolnie zmieniać swój kształt w zależności od naczynia, w którym się znajduje, oraz może swobodnie się przemieszczać (przepływać), np. przepompowywana przez rury.

Mechanizmy związane z przemianami fazowymi

W pobliżu temperatury przemiany fazowej obserwuje się znaczne tarcie wewnętrzne, pochodzące od zmian parametrów uporządkowania pod wpływem naprężeń.

Mechanizmy związane z defektami punktowymi

Efekt Snoeka

Polega na migracji atomów międzywęzłowych, a zaobserwowano go w kryształach o sieci regularnej przestrzennie centrowanej. Jest używany do określania koncentracji atomów węgla w stali.

Efekt Finkelsteina-Rozina

Powstaje na skutek reorientacji pary złożonej z dwu defektów, atomu domieszki substytucyjnej lub wakansu i atomu międzywęzłowego.

Relaksacja Zenera

Jest wynikiem ruchu atomów (zmiany orientacji par) w stopach substytucyjnych.

Relaksacja Gorskiego

Powstaje na skutek dyfuzji defektów w materiałach poddanych niejednorodnym naprężeniom.

Mechanizmy związane z dyslokacjami

Relaksacja Bodoniego

Jest skutkiem drgań odcinków dyslokacji. Występuje w materiałach deformowanych i zmniejsza się ze wzrostem koncentracji domieszek.

Maksima Hasigutiego

Są rezultatem oddziaływania dyslokacji z defektami punktowymi. Występują w materiałach deformowanych.

Histereza dyslokacyjna

Występuje w wyniku ruchu fragmentu dyslokacji zakotwiczonego pomiędzy dwoma defektami punktowymi.

Relaksacja termosprężysta

Występuje we wszystkich ciałach. Ściskana część ciała się rozgrzewa, a rozciągana oziębia. Powoduje to wystąpienie strumienia ciepła, prowadzącego do strat energii.

Uwagi

Cały symbol stanowi integralną całość, nie należy traktować go jako odwrotności Q. Definicja jest podobna do odwrotności dobroci układu drgającego, oznaczanej zwykle przez Q, ale dobroć to parametr oscylatora harmonicznego, a tarcie wewnętrzne jest właściwością materiału.

Bibliografia

S.A. Nowick, B.S. Berry: Anelastic Relaxation in Crystalline Solids. New York: Academic Press, 1972.
Władysław Chomka, Mechanizmy tarcia wewnętrznego w metalach w Fizyka i chemia metali, tom 2, Prace Naukowe Uniwersytetu Śląskiego nr. 165, 1977, str. 80-113.