Tarcie wewnętrzne

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.

DefinicjaEdytuj

W fizyce ciała stałego tarcie wewnętrzne, oznaczane zwykle przez[a]   jest zdefiniowane przez

 

gdzie:

  – energia zgromadzona w jednostce objętości drgającego ośrodka,
  – 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   poprzez równanie

 

Mechanizmy powodujące powstanie tarcia wewnętrznegoEdytuj

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:

Mechanizmy związane z przemianami fazowymiEdytuj

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

Mechanizmy związane z defektami punktowymiEdytuj

Efekt SnoekaEdytuj

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-RozinaEdytuj

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

Relaksacja ZeneraEdytuj

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

Relaksacja GorskiegoEdytuj

Powstaje na skutek dyfuzji defektów w materiałach poddanych niejednorodnym naprężeniom.

Mechanizmy związane z dyslokacjamiEdytuj

Relaksacja BodoniegoEdytuj

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

Maksima HasigutiegoEdytuj

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

Histereza dyslokacyjnaEdytuj

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

Relaksacja termosprężystaEdytuj

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

UwagiEdytuj

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

BibliografiaEdytuj

  • 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” 165, 1977, s. 80–113.