第13届亚洲物理奥林匹克竞赛实验试题简介

第13届亚洲物理奥林匹克竞赛的2道实验试题为"摩擦系数"和"电磁感应".本文较全面地介绍了试题内容并给出了解答.     

颗粒滚动摩擦系数对堆积特性的影响

为探讨颗粒摩擦系数对堆积特性的影响,利用离散单元法,模拟静摩擦系数固定时,变化滚动摩擦系数对椭球形颗粒堆积角及堆积体的影响.利用自制斜面仪测定了颗粒静摩擦系数,并对滚动摩擦系数与堆积角建立线性方程.结果表明,滚动摩擦系数对颗粒堆积特性有显著影响,颗粒堆积角随滚动摩擦系数增大而增大,边界圆与连续圆间的间隙随滚动摩擦系数增大而减小.依据颗粒堆积过程中旋转动能的变化可以阐述上述结果,建立的滚动摩擦系数与堆积角的线性方程可为具体颗粒物料滚动摩擦系数的获取提供数值测量思路.模拟堆积的过程可为散体物料一些不易测量的参数进行虚拟实验标定.     

316L不锈钢在Saline溶液中的微动磨蚀行为研究

采用球－平面接触微动磨损试验设备考察了轧制固溶３１６Ｌ不锈钢在Ｓａｌｉｎｅ溶液中的微动磨蚀行为。研究表明,３１６Ｌ不锈钢的微动过程存在显著的阶段性;微动初期为磨合期,第一稳定阶段摩擦副处于高摩擦应力状态,伴随着不锈钢表面缝隙腐蚀与弹塑性损伤的积累;第二过渡阶段和第二稳定阶段不锈钢表面呈微断裂剥层特征,腐蚀引起的微断裂不可忽视,不锈钢微动损伤表面形貌同微动损伤速率之间存在对应关系。     

高速运动条件下玄武岩摩擦系数的实验研究

在MM－1000型摩擦磨损试验机上采用不同试验条件对玄武岩试件进行了高速摩擦试验研究,结果表明：摩擦表面载荷、运动速度以及摩擦速度以及摩擦表面特性等因素均对摩擦系数产生影响;摩擦系数随载荷的增大呈现减小趋势;对于饱和吸水试件,摩擦系数随运动速度增大持续降低;在其它试验条件下,饱和吸水试件的动摩擦系数比干燥试件明显要低。     

冰雪运动雪上摩擦学与雪蜡研究现状

冬奥冰雪运动摩擦阻力影响运动健儿成绩,减少滑雪板与雪面之间摩擦阻力,有助于提升滑雪时的行进速度,提高运动员成绩排名. 研究冰雪表面摩擦学,有助于认识冰雪表面水润滑机理,为设计高性能滑雪板和雪蜡材料提供相关的研究基础. 因此,本文作者从冰雪表面摩擦学开始,简要介绍冰雪表面水润滑机理及影响冰雪表面摩擦学性能的影响因素,如环境参数(运动环境的温度/湿度)、雪基参数(雪面硬度、密度,雪面温度/湿度、冰晶大小、雪面污染物)、滑雪板基底参数及雪蜡的使用等;着重介绍了滑雪运动必备的材料-滑雪板减阻蜡的作用和分类,含氟雪蜡对人员环境的危害,雪蜡的选择与打蜡方式对雪板减阻性能的影响以及国内外现有的冰雪摩擦测试装置. 最后,对我国现有冰雪摩擦学基础研究,冰雪运动摩擦学及雪蜡材料的应用开发研究提出了几点建议和期望.      

两类润滑剂物性参数和摩擦系数的高通量分子动力学计算

提出了离子液体和酯类化合物两类润滑剂物性参数和摩擦系数的高通量分子动力学计算框架,建立了通过分子几何拓扑结构-力场参数分配-分子模型构建-参数计算的全流程高通量方法,利用充足的计算资源,可以实现万级规模的高通量并发计算. 创新性地提出了两层高通量并发-并行算法:第一层将润滑剂库分块,每一块并发计算;第二层单个润滑剂采用多CPU并行计算,大大提高了计算效率. 以离子液体为例测试了高通量算法和代码,最大进行了100级高通量计算,结果表明,该高通量算法具有很好的稳定性和计算效率,得到的物性参数和摩擦系数与实验值相吻合.      

磁过滤器电流对非晶碳薄膜摩擦学特性影响的研究

研究了过滤阴极真空电弧技术中,不同的磁过滤器电流下(5—13 A),制备的四面体非晶碳(ta-C)薄膜对摩擦学特性的影响.通过对薄膜厚度,薄膜结构以及薄膜表面粗糙度随磁过滤电流的变化结果进行了测试,结果表明,随着磁过滤器电流的增大,薄膜的sp³键含量逐渐减少,表面粗糙度从0.13增大到0.38.磁过滤器电流在5 A时,薄膜的摩擦系数最小约为0.08,当电流增大到7 A时,摩擦系数显著增大,磁过滤器电流从7 A增大到13 A时,薄膜的摩擦系数再次减小约为0.1. 关键词： 四面体非晶碳 过滤阴极真空电弧 磁过滤器电流 摩擦系数     

波纹管内流动特性的实验研究

随着超导技术的发展,高温超导电缆在电力输运中逐渐得到重视并进行了广泛的研究.由于波纹管具有良好的柔韧性和收缩性,在高温超导电缆中得到应用.波纹管内的流动压力损失参数是高温超导电缆低温系统重要的设计参数,因而研究波纹管内的流动特性具有重要的意义.对通径为6 mm,8 mm和10 mm的波纹管内液氮和氮气的流动特性进行了实验研究.液氮实验结果表明:液氮在波纹管内的流动具有波动性.在4000～40000的雷诺数范围内,测量了氮气的质量流量和压力损失,计算得到流动摩擦系数.分析表明:压力损失随雷诺数的增大而增大;波纹管的摩擦系数要高于光管,摩擦系数随雷诺数的增大而减小,摩擦系数随t/d的减小而减小.     

缅甸蟒蛇腹鳞表面的摩擦机理及摩擦各向异性研究

采用原子力显微镜观察缅甸蟒蛇腹鳞表面的微观结构,采用UMT-2型摩擦磨损试验机研究不同载荷及运动方向的腹鳞表面的宏观摩擦各向异性,建立了摩擦运动的接触模型,分析了腹鳞表面的磨损机理.结果表明:腹鳞表面的微观结构由指状微突体和板结构部分周期排列而成,其结构可用9个特征参数定量描述;腹鳞表面摩擦力由分子作用力、表面微突体的犁沟力、楔形作用力以及材料弹性滞后共同引起;腹鳞表面的摩擦系数在0.07左右并与运动方向有关,摩擦系数随载荷增加而减小;后向运动及左、右侧向运动时摩擦系数基本相等,比前向运动时高33%左右;腹鳞表面微突体不同方向上倾斜角度的差异是引起摩擦各向异性的主要原因.研究结果对仿生制造摩擦各向异性表面提供实验依据.     

多孔介质——自由流界面应力跳跃条件下流动特性解析解

对非对称多孔介质--自由流复合通道内多孔介质内部及多孔介质与自由流体界面处复杂质量、动量输运特性进行研究. 在多孔介质区采用Brinkman-extended Darcy模型并结合速度连续,剪切应力跳跃的界面条件对此复合通道内流体的传递现象进行求解,提出了考虑界面应力跳跃时非对称复合通道各区域流体运动速度及摩擦系数的解析式,分析了界面应力跳跃系数,达西数及无量纲多孔层偏心厚度对流体速度及摩擦系数的影响. 结果表明:改变界面性质可在一定条件下明显控制各区域流体速度分布;在达西数、多孔层偏心厚度一定情况下,界面应力系数的增大会使界面流速减小,而使流体摩擦系数增大,特别是界面应力系数小于0的情况下变化更明显,此时若不考虑界面应力系数则会造成较大误差. 当界面应力系数及多孔层偏心厚度均为较小负数值时,改变多孔层偏心厚度对界面速度的影响要大于改变界面应力系数的情况;而当界面应力系数及多孔层偏心厚度为较大正数值时,情况则相反. 较大达西数下,界面应力系数及多孔层偏心厚度对流体摩擦系数的影响均较大,继续减小达西数至一定程度时,界面应力系数对流体摩擦系数的影响可忽略不计而认为只与多孔层偏心厚度相关,且对较大多孔层偏心厚度更敏感.