Hostname: page-component-74656f9884-2dmjx Total loading time: 0 Render date: 2026-11-10T10:45:45.969Z Has data issue: false hasContentIssue false

Anisotropy of the Kinetic Friction on a Single Crystal of Ice

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Katutosi Tusima*
Affiliation:
Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University, Sapporo, Japan 060
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Abstract

Measurements were made of the kinetic friction which occurs when a tungsten carbide ball slides in various directions on the surface of a single crystal of ice, the track width produced on the surface was also measured. Anisotropies were detected in both the friction coefficient and the track width. The track width φ was at a maximum when the ball was slid normal to the basal plane and a minimum when it was moving parallel to (0001) in the temperature range —5 to —30°C. Although the friction coefficient was at a minimum when slid normal to (0001) and maximum in parallel to (0001) at temperatures of —19°C and below, this relation was found to be reversed at temperatures of —10°C and above. Anisotropy in track width can be explained in terms of the amount by which a slip system contributes to deformation in a specimen. However, our understanding of frictional anisotropy calls for knowledge of the ploughing strength p defined by the adhesion theory of friction. It was found that p reached a maximum in parallel to (0001) and a minimum normal to (0001) and that the frictional anisotropy on (0001) was influenced by the value . A remarkable frictional anisotropy was also observed on the surface inclined to the basal plane at 30°; the maximum friction coefficient was twice the minimum, whereas the maximum track width was only 1.3 times the minimum.

Résumé

Résumé

Nous avons fait des mesures de frottement dynamique entre la glace et une bille de carbure de tungstène, de telle manière qu'une trace de frottement ayant une certaine largeur soit faite sur la surface d'un monocristal de glace dans des directions de glissement différentes. L'anisotropie est détectée au moyen d'un coefficient de frottement et de la largeur de la trace. Cate largeur de trace φ est maximum dans la direction de glissement normale au plan basal (0001) et minimum dans la direction parallèle au plan (0001), le plan de glissement étant un plan prismatique et la température comprise entre —5 et —30°C. Alors que le coefficient de frottement est minimum lorsque le glissement est normal à (0001) et maximum lorsque cclui-ci est parallèle à (0001) pour des températures égalcs et inférieures à —19°C, ce résultat est inversé pour des températures supérieures a —10°C. L'anisotropic dans la largeur de la trace peut-être expliquée par l'influence du système de glissement prépondérant dans l'échantillon, tandis que la compréhension de l’anisotropie du frottement nécessite la connaissance de la force de pénétration p définie par la théorie du frottement impliquant les forces d'adhésion. Il est montré quep p est maximum parallèlement à (0001) et minimum normalement à (0001) et l'anisotropie de frottement est function du terme: Une anisotropie notable est aussi observée sur une surface inclinée de 30° sur le plan basal; le coefficient de frottement maximal est deux fois plus élevé que la valeur minimale alors que la largeur de trace maximale est seulement 1,3 fois la valour minimale.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Es wurde die kinetische Reibung zwischen Eis und einer Wolframkarbidkugel gemessen, sowie die Breite der Reibungsspur, die durch das Gleiten in verschiedenen Richtungen auf der Oberfläche eines Eis-Einkristalls hervorgerufen wurde. Dadurch wurden Anisotropien sowohl im Reibungskoeffizienten als such in der Spurbreite entdeckt. Die Spurbreite φ war am grössten, wenn die Kugel senkrecht zur Basisebene (0001) glitt, und am kleinsten beim Gleiten parallel zur (0001)-Fläche auf Prismenflächen im Temperaturbereich —5 bis —30°C. Während der Reibungskoeffizient bei Temperaturen von —19°C und darunter am niedrigsten war in Gleitrichtung senkrecht zur (000t)-Fläche und am grössten in Richtung parallel zu dieser, so wurde die umgekehrte Beziehung gefunden bei Temperaturen von —10°C und darüber. Anisotropie in der Spurbreite kann mit dem Beitragsanteil eines in der Probe auftretenden Gleitsystems erklärt werden; dagegen erfordert das Verständnis der Reibungsanisotropie die Kenntnis der Pflügfestigkeit p, die durch die Adhäsionstheorie der Reibung definiert ist. Es wurde gefunden, dass p am grössten parallel zu (0001) und am kleinsten senkrecht dazu war, und dass die Reibungsanisotropie durch den Wert beinflusst wurde. Eine bemerkungswerte Reibungsanisotropie wurde auch auf der urn 30° zur Basisebene geneigten Fläche beobachtet; der grösste Reibungskoeffizient war doppelt so gross wie der kleinstc, wohingegen die grösste Spurbreite nur das 1,3-fache der kleinsten betrug.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1978
Figure 0

Fig. 1. Anisotropies in the kinerc friction coefficient μk and the track width on (0110). Temperature: — 21°C; load: 6.9 N; velocity: 6.0 × 10-5 m/s; slider: 2.34 mm diameter.

Figure 1

Fig. 2. Anisotropies in friction μk and track width φ on (0110). Temperature: –10°C; load: 14.4 N; velocity: 6.0 × 10-5 m/s; slider: 6.4 mm in diameter.

Figure 2

Fig. 3. Anisotropies in friction and track width on pyramidal plane. Temperature: — 19°C; load: 6.9 N; velocity: 7.4 × 10-5 m/s; slider: 2.34 mm in diameter.

Figure 3

Fig 4. Traces in track ends of friction on (0110). Sliding directions: (a) [0001]; (b) [1120]; (c) 30° from [0001]. Note that the basal slit) lines extend parallel to [1120] and there is a dark line normal to the slip lilies.

Figure 4

Fig. 5. The size effect of a slider on the friction. Friction coefficients on (0110) are plotted against the inverse diameters of sliders and the temperature. Velocity: 7.4 × 10-5 m/s;. load: 4·7 N.

Figure 5

Fig. 6. Interfacial shear strength plotted against temperature, for planes (0110) and (0001).

Figure 6

Fig. 7. Ploughing strength on (0110) calculated from friction coefficients and track width. (a) Temperature: -10°C; load: 14.4 N; velocity: 6.0 × 10 -5 m/s; slider: 6.4 mm in diameter. (b) Temperature: - 21°C; load: 6.9 N; velocity: 6.0 × 10-5 m/s; slider: 2.34 mm. (c) Temperature: - 30°C; load: 6.9 N; velocity 7.4 × 10-5 m/s; slider: 2.34 mm.

Figure 7

Table I. THE RATIO OF TRACK WIDTH, PLOUGHING STRENGTH, AND FRICTION COEFFICIENT BETWEEN [DIRECTIONS OF [1120] AND [0001] FOR DIFFERENT TEMPERATURES ON PRISM PLANE (0110)