2021 Fiscal Year Annual Research Report
Construction of friction laws that rationally describe stiction accompanied by slow creep
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21H01236
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
中野 健 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 教授 (30292642)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 摩擦則 / 静摩擦 / 動摩擦 / 固着 / すべり |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体の接触面に作用する摩擦力には、静摩擦と動摩擦と呼ばれる二種類が存在すると言われている。しかし、相手面に固着して静止しているかのように見える物体であっても、実は極めて低速な運動（低速クリープ）が認められるという実験報告が複数存在することから、静摩擦の存在は必ずしも学術的に立証されていない。そこで本研究では、「静摩擦とは何か？」という学術的問いのもと、低速クリープをともなう固着現象を合理的に記述する摩擦則の構築を目的として、研究代表者がその重要性を発見した面内ミスアライメントと呼ばれる幾何学的概念を物理モデルに導入し、理論、実験、数値解析により国際共同研究を推進する。
低速クリープをともなう固着現象を合理的に記述する摩擦則の構築を目的として、まず「①単点接触系」の摩擦則の構築に取り組み、次に「②多点接触系」へ拡張する。本年度は①に専念し、設定した4個の研究項目「1. 物理モデルの構築」、「2. 実験データベースの構築」、「3. 計算データベースの構築」、「4. 摩擦則の構築」のうち、①-1、①-2、①-3に注力した。
「①-1. 単点接触系：物理モデルの構築」では、面内ミスアライメントを有する単点接触系の物理モデルを構築した。「①-2. 単点接触系：実験データベースの構築」では、構築する摩擦則の鍵となる低速クリープと摩擦力の回転を同時計測可能な試験機を開発した。同試験機を用いた実験を実施して、物体の運動と摩擦力ベクトルの時系列信号を獲得した。面内ミスアライメントを主たるパラメータとして、理論の検証に必要な実験データベースを構築した。「①-3. 単点接触系：計算データベースの構築」では、①-1で構築した物理モデルに基づき、時間発展シミュレーションを実施した。①-2に準じたパラメトリックスタディを通して、理論の検証に必要な計算データベースを構築した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
計画時に設定した研究項目「①-1. 単点接触系：物理モデルの構築」、「①-2. 単点接触系：実験データベースの構築」、「①-3. 単点接触系：計算データベースの構築」をほぼ完了し、理論と実験の整合性もおおむね良好である。ただし、理論的には摩擦力が零となる静的な接触において、実験では明確な方向性を示す摩擦力ベクトルが観測される場合があることから、理論モデルまたは実験モデルの修正を要する可能性がある。なお、国際連携に関しては、2022年03月にベルリン工科大学の Valentin L. Popov 教授を招聘（2022年06月まで滞在の予定）し、準備を整えた。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までの進捗状況がおおむね順調に進展していることから、基本的には当初の計画に沿って研究を推進する。ただし、上記に示した理論と実験の相違点（静的な接触において観測される明確な方向性を示す摩擦力ベクトル）は、本研究の学術的問い（静摩擦とは何か？）の核心に触れる問題であることから、理論と実験の両面から慎重に検討する。
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