History-dependent friction

Friksjon er et fenomen av stor praktisk, teknologisk og vitenskapelig betydning og som har utfordret menneskeheten i tusener av år. De grunnleggende lovene for friksjon ble introdusert av Amontons og Coulomb rundt 1700. De fant at friksjonskraften er proporsjonal med normalkraften, og at friksjonskraften som skal til for å starte relativ bevegelse - den statiske friksjonskraften - er større enn friksjonskraften som skal til for å holde den relative bevegelsen ved konstant hastighet - den dynamiske friksjonskraften. De empiriske friksjonslovene har senere blitt reformulert til en lov som er avhengig av både deformasjonsrate - hvor fort to overflater beveger seg i forhold til hverandre - og en indre tilstand - hvor lenge overflatene har vært i kontakt og under hva slags forhold. Vi har nylig gjort en oppsiktsvekkende oppdagelse: Friksjonskraften kan også avhenge sterkt av historien til kontakten og av hvordan de to overflatene stoppet relativt til hverandre. Dette motiverer at friksjonslovene må bli utvidet til å inkludere historien til kontakten. I dette prosjektet vil vi undersøke ved hvilke betingelser historie-avhengig friksjon er viktig, utvikle en teori for historie-avhengig friksjon, teste og anvende teorien på atomært og makroskopisk nivå og anvende teorien på sentrale problemstillinger i geologi og glasiologi. Vi har i 2020 til 2021 utviklet kontinuums modeller for slip pulser og en ny modell for friksjonen under isbreer som tar hensyn til det lokale vanntrykket. Det åpner for helt nye muligheter til sammenlikninger mellom modeller og observasjoner fra isbredynamikk. Samtidig har vi utviklet en maskinlæringsmodell for å finne parametere for en nano-skala modell for friksjon i realistiske materialer fra geologi (silikat og vann) og materialvitenskap (SiC). Vi har også utviklet metoder for effektivt å kunne bestemme friksjonsoppførselen til en overflate ved hjelp av maskinlæring og metoder for å bruke dette til hurtig å utvikle materialer med bestemte friksjonsegenskaper. Dette danner grunnlaget for å kunne utvikle prediktive modeller for historie-avhengig friksjon i 2022.

-

Friction is a topic of huge practical, technological and scientific interest that has challenged mankind for thousands of years. However, it still remains poorly understood, probably due to the inherent multi-scale and multi-physics nature of processes at the frictional interface. The empirical laws of friction where introduced by Amontons and Coulomb, and later refined into the rate-and-state friction law, which is commonly used today. The rate-and-state friction law states that the coefficient of friction that depends on the rate - on how fast the surfaces are moving relative to each other - and the state - how long the surfaces have been in contact and under what conditions. However, we have recently made a startling discovery: The coefficient of friction may also strongly depend on the history of the frictional contact, on how the two surfaces stopped relative to each other, changing the research focus from detachment to reattachment. Our hypothesis is that the rate-and-state friction law must be reformulated to include the history of the contact - a history-dependent law of friction. The goal of this project is test this hypothesis; to understand under what circumstances history-dependent friction is important; to develop a consistent theory for history-dependent friction, to test and apply this theory on atomic-, meso- and macroscopic scales and apply it to key problems in glaciology and geoscience. This is a bold proposal with vast consequences if successful, since the laws of friction are widely used in many sciences. The project will be carried out at the Physics of Geological Processes, an established cross-disciplinary collaboration between physics and geology lasting more than 20 years with a strong track record in producing research of fundamental importance with practical applications.The center is therefore in a unique position to address the proposed cross-disciplinary project.