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.

Definicja

W fizyce ciała stałego tarcie wewnętrzne, oznaczane zwykle przez^[a] $Q^{-1},$ jest zdefiniowane przez

Q^{-1}={\frac {\Delta W}{2\pi W}},

gdzie:

W

– energia zgromadzona w jednostce objętości drgającego ośrodka,

\Delta W

– 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 $\Lambda$ poprzez równanie

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:

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” 165, 1977, s. 80–113.

[1] 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.

[a]