RUBBER FRICTIE
Wat is Frictie?
Frictie (of Wrijving) is het natuurkundige begrip dat de weerstandskracht aanduidt, die ontstaat als twee oppervlakken langs elkaar schuiven, terwijl ze tegen elkaar aan gedrukt worden. Wrijving kan leiden tot vormverandering en warmteproductie.
Om het ene materiaal over een ander materiaal te verplaatsen is het noodzakelijk dat we een kracht uitoefenen die groter is dan de frictieweerstand.
De formule voor frictie is:
Ff = Cf x Fv
waar Frictiekracht (Ff) gelijk is aan de frictiecoëfficiënt (Cv) keer de verticale kracht (Fv).
De bovenstaande formule zegt eigenlijk dat om twee materialen tegen elkaar te bewegen de kracht die nodig is proportioneel is aan de kracht die op de twee materialen wordt uitgeoefend, en proportioneel is aan de frictiecoëfficiënt.
Normaliter is het statische frictiecoëfficiënt groter dan het dynamische frictiecoëfficiënt van hetzelfde materiaal. Dit wil zoveel zeggen dat er een grotere kracht nodig is om de twee materialen te laten bewegen dan de kracht die nodig is om de twee materialen in beweging te houden.
Hieronder staan een aantal materialen en hun frictiecoëfficiënt.
| Materiaal | Cf |
| Hout op Hout, droog | 0.25-0.50 |
| Metaal op Metaal, droog | 0.15-0.20 |
| Rubber op Glas, droog | 2+ |
Een frictiecoëfficiënt (Cf) groter dan 1.0 betekent dat er meer kracht nodig is om het materiaal in beweging te krijgen dan de kracht die het materiaal tegen het andere materiaal aandrukt. Dit geeft aan dat er meer aan de hand is dan alleen maar frictie.
RUBBER FRICTIE
Rubber genereert frictie op drie verschillende manieren: Adhesie, Deformatie en Slijtage.
Hieronder staat een vereenvoudigde voorstelling van deze drie componenten die de frictiekracht samenstellen.
ADHESIE
Adhesie is een eigenschap van rubber die er voor zorgt dat het "plakt". Er is lang gedacht dat adhesie een tijdelijke verbinding was tussen twee verschillende materialen.
Als de adhesiekracht overal hetzelfde is dan is de kracht proportioneel tot het totale oppervlak. Dit is zo als het contactvlak even groot is als het oppervlak, maar dat geldt hier niet. Het werkelijke oppervlak is op moleculair niveau erg ruw en beperkt zich tot de hoogste toppen van elk van de twee oppervlakken. Het werkelijke contactvlak is dus afhankelijk van het oppervlakte profiel, de materiaaleigenschappen en de contactdruk.
Zoals u kunt zien zorgt een grotere kracht op het rubber voor meer indrukking van het onregelmatige wegoppervlak, waardoor het contact oppervlak wordt vergroot. Meer contactoppervlak betekent meer adhesie en een hogere frictiekracht. Dit komt tot uitdrukking in de formule, Ff = Cf x Fv.
DEFORMATIE
Als rubber in contact komt met een glad oppervlak (glas wordt vaak gebruikt) wordt de frictiekracht hoofdzakelijk bepaald door adhesie. Maar wanneer rubber in contact komt met een ruw oppervlak gaan er andere zaken meespelen, deformatie.
Als rubber wordt bewogen op een ruw oppervlak zal dat resulteren in deformatie van het rubber op de hoogste contactpunten (oneffenheden). Een kracht op het rubber zal de oneffenheden diep in het rubber duwen. De energie die nodig is om de oneffenheden in het rubber te bewegen komt van de differentiële druk op de oneffenheden.
Een nat oppervlak belemmerd een rechtstreeks contact tussen het rubber en het oppervlak, en gaat de vorming van adhesiekrachten tegen. Frictiekrachten als gevolg van deformatie is het grootste bestanddeel van de frictiekrachten tussen een rubber band en een nat oppervlak.
SCHEUREN EN SLIJTAGE
Naast frictie als gevolg van adhesie en deformatie, is er nog een andere frictiekracht die bestaat uit scheuren en slijtage. Als de deformatiekrachten dermate hoog worden en de wrijvingssnelheid oploopt, kunnen, lokaal, de krachten groter worden dan de treksterkte van het rubber.
Hoge, lokale, stresspunten kunnen de interne structuur van het rubber zodanig veranderen tot over het punt waar elasticiteit niet meer mogelijk is. Polymeren die op dit punt komen zullen slijten en scheuren. Dit slijten en scheuren absorbeert energie, die weer zorgt voor extra frictiekrachten op het contactoppervlak.
TOTALE FRICTIE
Met bovenstaande informatie is het nu mogelijk om een meer complete formule voor rubber frictie te noteren:
Ftotaal = Fad(hesie) + Fdef(formatie) + Fslijtage
De namen die ik noem zijn niet officieel, maar een eigen keuze. Er zijn waarschijnlijk nog veel meer frictie componenten maar dit zijn wel de belangrijkste.
Laten de Fdef(ormatie) is nader bekijken.
DEFORMATIE FRICTIE EN VISCOELASTICITEIT
Frictie door adhesie bepaald voor een belangrijk deel het gedrag van de band, mits het een goed contact heeft met het wegoppervlak. Frictie door adhesie neemt zeer snel, en veel, af als het oppervlak is vervuild door stof, water of ijs. Of dat moment wordt frictie door deformatie belangrijk.
Nu komt een andere eigenschap van rubber om de hoek, viscoelasticiteit.
Rubber is elastisch en vormt zich naar het oppervlak, maar rubber is ook viscoelastisch: het komt niet voor 100% terug naar zijn oude vorm.
Druk bijvoorbeeld eens je nagel in een normale autoband. Je zult zien dat de indrukking direct weer verdwijnt. Als je hetzelfde doet met een raceband dan zal het rubber langzaam terug komen in de oude vorm. Dit is een simpel, maar effectief, voorbeeld van een hysteresis-test (test op energieverlies in rubber).
Lage hysterese = Rubber hersteld snel
Hoge hysterese = Rubber hersteld langzaam
Als het rubber langzaam hersteld van het onregelmatige oppervlak, kan het niet met dezelfde kracht tegen de lagere punten drukken als dat het op de toppen doet. Dit drukverschil genereert frictiekrachten zelfs wanneer het oppervlak verontreinigd is.
EEN PRACTISCH VOORBEEL VAN VISCOELASTICITEIT IN RUBBER FRICTIE
Het is gebleken dat zowel de Adhesie als de Deformatie componenten van rubber frictie een hoge viscoelasticiteit hebben. Meer precies, de gegenereerde frictie is afhankelijk van de structuur van de weg (ruwheid), de snelheid waarmee hoogste toppen het rubber indringen, en de snelheid van het rubber over die toppen.
Voorbeeld: Water heeft een lage viscositeit, lager dan motorolie of honing en veel minder dan rubber. Als je je hand in het water steekt is er bijna geen weerstand te voelen. Maar een harde klap met een gesloten vlakke hand op een wateroppervlak voel je zeker. De viscositeit van water is dus hoog genoeg om in bepaalde gevallen niet op tijd te kunnen reageren.
Dit artikel is een vertaling uit het engels en eerder gepubliceerd door Paul Haney in 2004 in Sports Car Magazine