ROUGH DRAFT authorea.com/90231
Main Data History
Export
Show Index Toggle 1 comments
  •  Quick Edit
  • Classic Models for the study of microscopic friction
    Modelos Clássicos para o estudo do atrito microscópico

    UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
    PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA
    Exame de Qualificação ao Doutorado

    Orientador: Sebastian Goncalves

    Atrito é um fenômeno extremamente ubíquo, ao ponto que a maior parte do tempo não percebemos como ele afeta nossas vidas, desde detalhes ínfimos até aspectos fundamentais. Geralmente é considerado como um trastorno relacionado com a perda de energia e desgaste de peças, porém, sem ele não escutaríamos o violino, os pregos seriam inúteis e a vida não seria possível pois o equilibrio térmico seria inalcançável. As técnicas experimentais atuais, capazes de estudar a força de atrito, abriram um novo campo de investigação, envolvendo escalas atômicas de comprimento, chamado de nano-tribologia. O resultado mais importante dos experimentos a escala atômica é que o atrito resulta ser viscoso, ou seja, proporcional à velocidade. Neste trabalho de doutorado, estudamos a dinâmica de um ou vários átomos que deslizam sobre uma superficie representada por um arranjo periódico de átomos, cada um deles confinado por um potencial armônico independente. A técnica principal de trabalho é Dinâmica Molecular, ferramenta ideal para abordar o estudo do atrito microscópico. Primeiramente, estudamos a versão mais simples do modelo: uma única partícula ligada a uma mola e a outra indo na direção dela com uma determinada velocidade. A interação entre elas é de tipo Gaussiana (curto alcance) e a análise dos resultados mostra uma perda sistemática de energia de translação da partícula livre para a vibração da particula ligada, o que representa uma força de atrito efetiva. Os resultados obtidos até o momento com os modelos utilizados, encontram-se em concordância com o modelo de Tomlinson, frequentemente utilizado para modelar o microscopio de força atômica.

    Friction is an extremely ubiquitous phenomenon, to the point that most of the time we do not realize how it affects our lives, from tiny details to fundamental aspects. It is usually regarded as a nuisance related with the loss of energy and wear of machine parts, but without it we would not hear the violin, the nails would be useless, and life could not be possible because the thermal equilibrium would be unattainable. The current experimental techniques able to study the frictional force, opened a new field of research involving atomic length scales, called nano-tribology. The most important result of the experiment is that the atomic scale friction turns out to be viscous, i.e. proportional to the speed. In this PhD thesis, we study the dynamics of one or more atoms which slide over a surface represented by a periodic arrangement of atoms, each confined by an independent harmonic potential. The main used technique is molecular dynamics, an ideal tool to address the study of microscopic friction. First, we study the simplest version of the model: a single particle attached to a spring and the other sliding in its direction with a certain speed. The interaction between them is Gaussian type (short range) and the analysis of the results shows a systematic loss of translational energy of the free particle to the vibration of the bound particle, which is an effective frictional force. The results obtained so far with the models used here are in accordance with the Tomlinson model, often used to represent the atomic force microscope.