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E-Book

Kontaktmechanik und Reibung

Von der Nanotribologie bis zur Erdbebendynamik

AutorValentin Popov
VerlagSpringer Vieweg
Erscheinungsjahr2016
Seitenanzahl404 Seiten
ISBN9783662459751
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis66,99 EUR

Das anwendungsorientierte Buch führt in den Zusammenhang von Kontaktmechanik und Reibung ein und ermöglicht damit ein tieferes Verständnis der Tribologie. Es behandelt die eng zusammenhängenden Phänomene Kontakt, Adhäsion, Kapillarkräfte, Reibung, Schmierung und Verschleiß unter einem einheitlichen Gesichtspunkt. Der Autor geht ein auf (1) Methoden zur groben Abschätzung von tribologischen Größen, (2) Methoden zur analytischen Berechnung in einem minimal erforderlichen Umfang und (3) den Übergang zu numerischen Simulationsmethoden. Damit vermittelt er einen einheitlichen Blick auf tribologische Prozesse in verschiedenen Skalen (von der Nanotribologie bis zur Erdbebenforschung).

Auch systemdynamische Aspekte von tribologischen Systemen, wie Quietschen und seine Bekämpfung sowie andere Typen von Instabilitäten und Musterbildung werden vermittelt.

Aufgaben mit durchgerechneten Lösungen zu einzelnen Kapiteln dienen der Vertiefung und praktischen Anwendung des behandelten Stoffs.

Neu an der 3. Auflage sind: eine ausführlichere Darstellung der elastohydrodynamischen Schmierung, ein erweitertes und aktualisiertes Kapitel zu numerischen Simulationsmethoden in der Kontaktmechanik, die Erweiterung des Kapitels 'Verschleiß' durch Diskussion und Berechnung von Fretting sowie zahlreiche neue Aufgaben und Fallbeispiele, welche den Wert des Buches als Nachschlagewerk wesentlich erhöhen.



Prof. Dr. rer. nat. Valentin L. Popov studierte Physik und promovierte im Jahre 1985 an der staatlichen Lomonosow-Universität Moskau. Er habilitierte sich 1994 am Institut für Festigkeitsphysik und Werkstoffkunde der Russischen Akademie der Wissenschaften. Seit 2002 leitet er das Fachgebiet Systemdynamik und Reibungsphysik am Institut für Mechanik der Technischen Universität Berlin.

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Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Vorwort zur dritten Auflage5
Vorwort zur zweiten Auflage6
Vorwort zur ersten Auflage7
Danksagung9
Inhaltsverzeichnis10
Über den Autor15
Kapitel-116
Einführung16
1.1 Kontakt- und Reibungsphänomene und ihre Anwendung17
1.2 Zur Geschichte der Kontaktmechanik und Reibungsphysik18
1.3 Aufbau des Buches23
Kapitel-224
Qualitative Behandlung des Kontaktproblems – Normalkontaktohne Adhäsion24
2.1 Materialeigenschaften25
2.2 Einfache Kontaktaufgaben28
2.3 Qualitative Abschätzungsmethode für Kontakte mit einem dreidimensionalen elastischen Kontinuum32
Kapitel-342
Qualitative Behandlung eines adhäsiven Kontaktes42
3.1 Physikalischer Hintergrund43
3.2 Berechnung der Adhäsionskraft zwischen gekrümmten Oberflächen47
3.3 Qualitative Abschätzung der Adhäsionskraft zwischen elastischen Körpern48
3.4 Einfluss der Rauigkeit auf Adhäsion50
3.5 Klebeband51
3.6 Weiterführende Informationen über van-der-Waals-Kräfte und Oberflächenenergien52
Kapitel-457
Kapillarkräfte57
4.1 Oberflächenspannung und Kontaktwinkel58
4.2 Hysterese des Kontaktwinkels61
4.3 Druck und Krümmungsradius der Oberfläche62
4.4 Kapillarbrücken63
4.5 Kapillarkraft zwischen einer starren Ebene und einer starren Kugel63
4.6 Flüssigkeiten auf rauen Oberflächen64
4.7 Kapillarkräfte und Tribologie66
Kapitel-572
Rigorose Behandlung des Kontaktproblems – Hertzscher Kontakt72
5.1 Deformation eines elastischen Halbraumes unter der Einwirkung von Oberflächenkräften73
5.2 Hertzsche Kontakttheorie76
5.3 Kontakt zwischen zwei elastischen Körpern mit gekrümmten Oberflächen78
5.4 Kontakt zwischen einem starren kegelförmigen Indenter und dem elastischen Halbraum81
5.5 Innere Spannungen beim Hertzschen Kontakt82
5.6 Methode der Dimensionsreduktion (MDR)85
Kapitel-698
Rigorose Behandlung des Kontaktproblems – Adhäsiver Kontakt98
6.1 JKR-Theorie99
6.2 Adhäsiver Kontakt rotationssymmetrischer Körper105
Kapitel-7112
Kontakt zwischen rauen Oberflächen112
7.1 Modell von Greenwood und Williamson113
7.2 Plastische Deformation von Kontaktspitzen119
7.3 Elektrische Kontakte120
7.4 Thermische Kontakte123
7.5 Mechanische Steifigkeit von Kontakten124
7.6 Dichtungen125
7.7 Rauheit und Adhäsion126
Kapitel-8132
Tangentiales Kontaktproblem132
8.1 Deformation eines elastischen Halbraumes unter Einwirkung von Tangentialkräften133
8.2 Deformation eines elastischen Halbraumes unter Einwirkung von Tangentialspannungsverteilungen134
8.3 Tangentiales Kontaktproblem ohne Gleiten136
8.4 Tangentiales Kontaktproblem unter Berücksichtigung des Schlupfes138
8.5 Abwesenheit des Schlupfes bei einem starren zylindrischen Stempel141
8.6 Tangentialkontakt axial-symmetrischer Körper141
Kapitel-9152
Rollkontakt152
9.1 Qualitative Diskussion der Vorgänge in einem Rollkontakt153
9.2 Spannungsverteilung im stationären Rollkontakt155
Kapitel-10167
Das Coulombsche Reibungsgesetz167
10.1 Einführung167
10.2 Haftreibung und Gleitreibung168
10.3 Reibungswinkel170
10.4 Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten von der Kontaktzeit170
10.5 Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten von der Normalkraft172
10.6 Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten von der Gleitgeschwindigkeit172
10.7 Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten von der Oberflächenrauheit173
10.8 Vorstellungen von Coulomb über die Herkunft des Reibungsgesetzes174
10.9 Theorie von Bowden und Tabor176
10.10 Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten von der Temperatur178
Kapitel-11189
Das Prandtl-Tomlinson-Modell für trockene Reibung189
11.1 Einführung190
11.2 Grundeigenschaften des Prandtl-Tomlinson-Modells191
11.3 Elastische Instabilität196
11.4 Supergleiten199
11.5 Nanomaschinen: Konzepte für Mikro- und Nanoantriebe200
Kapitel-12209
Reiberregte Schwingungen209
12.1 Reibungsinstabilität bei abfallender Abhängigkeit der Reibungskraft von der Geschwindigkeit210
12.2 Instabilität in einem System mit verteilter Elastizität213
12.3 Kritische Dämpfung und optimale Unterdrückung des Quietschens216
12.4 Aktive Unterdrückung des Quietschens218
12.5 Festigkeitsaspekte beim Quietschen220
12.6 Abhängigkeit der Stabilitätsbedingungen von der Steifigkeit des Systems221
12.7 Sprag-Slip227
Kapitel-13233
Thermische Effekte in Kontakten233
13.1 Einführung234
13.2 Blitztemperaturen in Mikrokontakten235
13.3 Thermomechanische Instabilität236
Kapitel-14240
Geschmierte Systeme240
14.1 Strömung zwischen zwei parallelen Platten241
14.2 Hydrodynamische Schmierung242
14.3 „Viskose Adhäsion“247
14.4 Rheologie von Schmiermitteln249
14.5 Grenzschichtschmierung252
14.6 Elastohydrodynamik252
14.7 Feste Schmiermittel256
Kapitel-15269
Viskoelastische Eigenschaften von Elastomeren269
15.1 Einführung269
15.2 Spannungsrelaxation in Elastomeren271
15.3 Komplexer, frequenzabhängiger Schubmodul272
15.4 Eigenschaften des komplexen Moduls274
15.5 Energiedissipation in einem viskoelastischen Material276
15.6 Messung komplexer Module276
15.7 Rheologische Modelle278
15.8 Ein einfaches rheologisches Modell für Gummi („Standardmodell“)280
15.9 Einfluss der Temperatur auf rheologische Eigenschaften282
15.10 Masterkurven283
15.11 Prony-Reihen284
15.12 Anwendung der Methode der Dimensionsreduktion auf viskoelastische Medien287
Kapitel-16296
Gummireibung und Kontaktmechanik von Gummi296
16.1 Reibung zwischen einem Elastomer und einer starren rauen Oberfläche297
16.2 Rollwiderstand302
16.3 Adhäsiver Kontakt mit Elastomeren305
Kapitel-17312
Verschleiß312
17.1 Einleitung312
17.2 Abrasiver Verschleiß313
17.3 Adhäsiver Verschleiß316
17.4 Bedingungen für verschleißarme Reibung319
17.5 Verschleiß als Materialtransport aus der Reibzone321
17.6 Verschleiß von Elastomeren322
Kapitel-18330
Reibung unter Einwirkung von Ultraschall330
18.1 Einfluss von Ultraschall auf die Reibungskraft aus makroskopischer Sicht331
18.2 Einfluss von Ultraschall auf die Reibungskraft aus mikroskopischer Sicht336
18.3 Experimentelle Untersuchungen der statischen Reibungskraft als Funktion der Schwingungsamplitude338
18.4 Experimentelle Untersuchungen der Gleitreibung als Funktion der Schwingungsamplitude341
Kapitel-19348
Numerische Simulationsmethoden in der Kontaktmechanik348
19.1 Mehrkörpersysteme349
19.2 Finite Elemente Methode350
19.3 Randelementemethode351
19.4 Randelementemethode: tangentialer Kontakt352
19.5 Randelementemethode: adhäsiver Kontakt354
19.6 Teilchenmethoden355
19.7 Methode der Dimensionsreduktion355
Kapitel-20357
Erdbeben und Reibung357
20.1 Einführung358
20.2 Quantifikation der Erdbeben359
20.3 Reibungsgesetze für Gesteine362
20.4 Stabilität beim Gleiten mit der geschwindigkeits- und zustandsabhängigen Reibung365
20.5 Nukleation von Erdbeben und Nachgleiten368
20.6 Foreshocks und Aftershocks372
20.7 Kontinuumsmechanik von granularen Medien und Struktur von Verwerfungen372
20.8 Ist Erdbebenvorhersage möglich?376
Anhang380
Bildernachweis392
Weiterführende Literatur394
Sachverzeichnis400

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