82-XX STATISTICAL MECHANICS, STRUCTURE OF MATTER
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Lubricated tribological contact processes are important in both nature and in many technical applications. Fluid lubricants play an important role in contact processes, e.g. they reduce friction and cool the contact zone. The fundamentals of lubricated contact processes on the atomistic scale are, however, today not fully understood. A lubricated contact process is defined here as a process, where two solid bodies that are in close proximity and eventually in parts in direct contact, carry out a relative motion, whereat the remaining volume is submersed by a fluid lubricant. Such lubricated contact processes are difficult to examine experimentally. Atomistic simulations are an attractive alternative for investigating the fundamentals of such processes. In this work, molecular dynamics simulations were used for studying different elementary processes of lubricated tribological contacts. A simplified, yet realistic simulation setup was developed in this work for that purpose using classical force fields. In particular, the two solid bodies were fully submersed in the fluid lubricant such that the squeeze-out was realistically modeled. The velocity of the relative motion of the two solid bodies was imposed as a boundary condition. Two types of cases were considered in this work: i) a model system based on synthetic model substances, which enables a direct, but generic, investigation of molecular interaction features on the contact process; and ii) real substance systems, where the force fields describe specific real substances. Using the model system i), also the reproducibility of the findings obtained from the computer experiments was critically assessed. In most cases, also the dry reference case was studied. Both mechanical and thermodynamic properties were studied -- focusing on the influence of lubrication. The following properties were studied: The contact forces, the coefficient of friction, the dislocation behavior in the solid, the chip formation and the formation of the groove, the squeeze-out behavior of the fluid in the contact zone, the local temperature and the energy balance of the system, the adsorption of fluid particles on the solid surfaces, as well as the formation of a tribofilm. Systematic studies were carried out for elucidating the influence of the wetting behavior, the influence of the molecular architecture of the lubricant, and the influence of the lubrication gap height on the contact process. As expected, the presence of a fluid lubricant reduces the temperature in the vicinity of the contact zone. The presence of the lubricant is, moreover, found to have a significant influence on the friction and on the energy balance of the process. The presence of a lubricant reduces the coefficient of friction compared to a dry case in the starting phase of a contact process, while lubricant molecules remain in the contact zone between the two solid bodies. This is a result of an increased normal and slightly decreased tangential force in the starting phase. When the fluid molecules are squeezed out with ongoing contact time and the contact zone is essentially dry, the coefficient of friction is increased by the presence of a fluid compared to a dry case. This is attributed to an imprinting of individual fluid particles into the solid surface, which is energetically unfavorable. By studying the contact process in a wide range of gap height, the entire range of the Stribeck curve is obtained from the molecular simulations. Thereby, the three main lubrication regimes of the Stribeck curve and their transition regions are covered, namely boundary lubrication (significant elastic and plastic deformation of the substrate), mixed lubrication (adsorbed fluid layers dominate the process), and hydrodynamic lubrication (shear flow is set up between the surface and the asperity). The atomistic effects in the different lubrication regimes are elucidated. Notably, the formation of a tribofilm is observed, in which lubricant molecules are immersed into the metal surface. The formation of a tribofilm is found to have important consequences for the contact process. The work done by the relative motion is found to mainly dissipate and thereby heat up the system. Only a minor part of the work causes plastic deformation. Finally, the assumptions, simplifications, and approximations applied in the simulations are critically discussed, which highlights possible future work.
In this thesis, a new concept to prove Mosco convergence of gradient-type Dirichlet forms within the \(L^2\)-framework of K.~Kuwae and T.~Shioya for varying reference measures is developed.
The goal is, to impose as little additional conditions as possible on the sequence of reference measure \({(\mu_N)}_{N\in \mathbb N}\), apart from weak convergence of measures.
Our approach combines the method of Finite Elements from numerical analysis with the topic of Mosco convergence.
We tackle the problem first on a finite-dimensional substructure of the \(L^2\)-framework, which is induced by finitely many basis functions on the state space \(\mathbb R^d\).
These are shifted and rescaled versions of the archetype tent function \(\chi^{(d)}\).
For \(d=1\) the archetype tent function is given by
\[\chi^{(1)}(x):=\big((-x+1)\land(x+1)\big)\lor 0,\quad x\in\mathbb R.\]
For \(d\geq 2\) we define a natural generalization of \(\chi^{(1)}\) as
\[\chi^{(d)}(x):=\Big(\min_{i,j\in\{1,\dots,d\}}\big(\big\{1+x_i-x_j,1+x_i,1-x_i\big\}\big)\Big)_+,\quad x\in\mathbb R^d.\]
Our strategy to obtain Mosco convergence of
\(\mathcal E^N(u,v)=\int_{\mathbb R^d}\langle\nabla u,\nabla v\rangle_\text{euc}d\mu_N\) towards \(\mathcal E(u,v)=\int_{\mathbb R^d}\langle\nabla u,\nabla v\rangle_\text{euc}d\mu\) for \(N\to\infty\)
involves as a preliminary step to restrict those bilinear forms to arguments \(u,v\) from the vector space spanned by the finite family \(\{\chi^{(d)}(\frac{\,\cdot\,}{r}-\alpha)\) \(|\alpha\in Z\}\) for
a finite index set \(Z\subset\mathbb Z^d\) and a scaling parameter \(r\in(0,\infty)\).
In a diagonal procedure, we consider a zero-sequence of scaling parameters and a sequence of index sets exhausting \(\mathbb Z^d\).
The original problem of Mosco convergence, \(\mathcal E^N\) towards \(\mathcal E\) w.r.t.~arguments \(u,v\) form the respective minimal closed form domains extending the pre-domain \(C_b^1(\mathbb R^d)\), can be solved
by such a diagonal procedure if we ask for some additional conditions on the Radon-Nikodym derivatives \(\rho_N(x)=\frac{d\mu_N(x)}{d x}\), \(N\in\mathbb N\). The essential requirement reads
\[\frac{1}{(2r)^d}\int_{[-r,r]^d}|\rho_N(x)- \rho_N(x+y)|d y \quad \overset{r\to 0}{\longrightarrow} \quad 0 \quad \text{in } L^1(d x),\,
\text{uniformly in } N\in\mathbb N.\]
As an intermediate step towards a setting with an infinite-dimensional state space, we let $E$ be a Suslin space and analyse the Mosco convergence of
\(\mathcal E^N(u,v)=\int_E\int_{\mathbb R^d}\langle\nabla_x u(z,x),\nabla_x v(z,x)\rangle_\text{euc}d\mu_N(z,x)\) with reference measure \(\mu_N\) on \(E\times\mathbb R^d\) for \(N\in\mathbb N\).
The form \(\mathcal E^N\) can be seen as a superposition of gradient-type forms on \(\mathbb R^d\).
Subsequently, we derive an abstract result on Mosco convergence for classical gradient-type Dirichlet forms
\(\mathcal E^N(u,v)=\int_E\langle \nabla u,\nabla v\rangle_Hd\mu_N\) with reference measure \(\mu_N\) on a Suslin space $E$ and a tangential Hilbert space \(H\subseteq E\).
The preceding analysis of superposed gradient-type forms can be used on the component forms \(\mathcal E^{N}_k\), which provide the decomposition
\(\mathcal E^{N}=\sum_k\mathcal E^{N}_k\). The index of the component \(k\) runs over a suitable orthonormal basis of admissible elements in \(H\).
For the asymptotic form \(\mathcal E\) and its component forms \(\mathcal E^k\), we have to assume \(D(\mathcal E)=\bigcap_kD(\mathcal E^k)\) regarding their domains, which is equivalent to the Markov uniqueness of \(\mathcal E\).
The abstract results are tested on an example from statistical mechanics.
Under a scaling limit, tightness of the family of laws for a microscopic dynamical stochastic interface model over \((0,1)^d\) is shown and its asymptotic Dirichlet form identified.
The considered model is based on a sequence of weakly converging Gaussian measures \({(\mu_N)}_{N\in\mathbb N}\) on \(L^2((0,1)^d)\), which are
perturbed by a class of physically relevant non-log-concave densities.
Schnelligkeit und Explosivität sind prägende Bestandteile des Fußballspiels und die Bedeutung dieser Fähigkeiten ist in den vergangenen Jahren deutlich gestiegen. Infolgedessen erscheint die Berücksichtigung der Schnellkraft von prognostischer Relevanz für das komplexe Feld der Talentidentifikation und die damit verbundenen Selektionsprozesse im leistungsorientierten Jugendfußball. Allerdings gibt es nur wenige publizierte Daten die unter methodischen Standards erhoben wurden. Aus diesem Grund absolvierten im Rahmen dieser Arbeit 822 aktive, männliche Vereinsfußballer im Alter zwischen 10 und 19 Jahren eine leistungsdiagnostische Schnellkrafttestbatterie. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass die Leistungsfähigkeit der Spieler über die komplette Altersspanne von 10-19 Jahren ansteigt. Dabei steht die Leistungsentwicklung in engem Zusammenhang mit der Reifeentwicklung der Jugendlichen. Des Weiteren zeigt sich, dass Spieler aus Nachwuchsleistungszentren bessere Werte aufweisen, als Spieler die nicht in einem Nachwuchsleistungszentrum Fußball spielen. Darüber hinaus wird deutlich, dass sich die Testleistungen von Spielern verschiedener Spielpositionen teilweise erheblich unterscheiden. Durch Folgeuntersuchungen soll die Datenbank zukünftig weiter ausgebaut werden, um auf diese Weise detailliertere Vergleiche in den unterschiedlichen Subgruppen zu ermöglichen.
Das vorliegende Buch soll den Studenten der Natur- und Ingenieurwissenschaften
mit den Grundlagen der Thermodynamik vertraut machen und an prägnanten
Beispielen mit ausführlichen Lösungen zeigen, wie konkrete Probleme anzugehen
sind. Die Begriffe Temperatur und Wärme entsprechen der Alltagserfahrung. An-
ders als in der Mechanik und Elektrodynamik ist es jedoch erst nach 1900 zu einer
mathematisch tragfähigen Formulierung der Thermodynamik gekommen. Dies liegt
vor allem daran, daß sie alltägliche Vorgänge der Vielteilchenphysik beschreibt, die
ihrer Natur nach statistischen Unbestimmtheiten unterliegen. Deshalb besitzt die
Thermodynamik eine andere mathematische Struktur als etwa die Mechanik und
wird im Prinzip erst durch die statistische Mechanik vollständig beschrieben, die
makroskopische Eigenschaften aus den mikroskopischen molekularen Eigenschaften
herleitet. Demgegenüber interessieren in den technischen Anwendungen vor allem
die Beziehungen zwischen makroskopischen Mittelwerten, wobei Abweichungen von
diesen Mittelwerten nur gelegentlich eine Rolle spielen. In der Thermodynamik
gelingt es, die für die Anwendungen wichtigsten statistischen Sachverhalte bereits
durch zwei Größen nämlich Temperatur und Entropie darzustellen, ohne die mikro-
skopischen Eigenschaften der Moleküle heranziehen zu müssen. Die beiden Größen
lassen sich über wenige Erfahrungstatsachen (Hauptsätze) der makroskopischen Phy-
sik widerspruchsfrei einführen. Für die meisten Anwendungen in der technischen
Thermodynamik und physikalischen Chemie erweist sich diese makroskopische
Beschreibung als hinreichend.
Das Buch besteht aus vier Teilen:
Teil I befaßt sich mit den Grundbegriffen der Thermodynamik. Sie werden für
die Gleichgewichtszustände der Systeme über die vier Hauptsätze (Null bis drei)
eingeführt. Die Hauptsätze reichen aus, um die Rolle der Temperatur und der
thermodynamischen Potentiale zu verstehen und das physikalische Verhalten am
absoluten Nullpunkt herzuleiten. Die Anwendungen sind so ausgewählt, daß die we-
sentlichen Begriffsbildungen an charakteristischen Beispielen aus den verschiedenen
Spezialgebieten der Thermodynamik geklärt werden.
Teil II behandelt die Thermodynamik irreversibler Prozesse. Hier wird die lineare
Theorie der Ausgleichsvorgänge in räumlich inhomogenen Systemen beschrieben.
Diese Systeme werden als Vereinigung vieler kleiner homogener Materialelemen-
te mit Konvektionsbewegung dargestellt, von denen sich jedes in einem inneren
Gleichgewicht im Sinne von Teil I befindet. Aus der Unterschiedlichkeit der Gleichge-
wichtsparameter ergeben sich dann Näherungen für den Zeitverlauf des Ausgleichs-
vorgangs. Auf diese Weise entsteht eine zeitabhängige Kontinuumsthermodynamik,
die für die meisten praktischen Anwendungen hinreichend ist. Dabei sind die Phä-nomene der thermischen Schwankungen vernachlässigt, die man bei sehr kleinen
Materialelementen gesondert beachten muß.
Teil III erläutert deshalb die thermischen Schwankungen. Hier werden die statis-
tischen Methoden soweit besprochen, als es für Verständnis und Beurteilung der
Schwankungen notwendig ist. Eine zentrale Rolle spielt dabei das Schwankungs-
-Dissipations Theorem, welches die Höhe und Breite der mittleren Fluktuation
abschätzt. Darüberhinaus stellt Teil III den Zusammenhang zwischen Thermodyna-
mik und klassischer Mechanik des Vielteilchensystems auf Basis der statistischen
Mechanik der Gleichgewichtsphänomene dar. Hier wird der statistische Hintergrund
der thermodynamischen Potentiale und der Temperatur erläutert.
Teil IV enthält die ausführlichen Lösungen aller Aufgaben.
Das Buch ist auch zum Nachschlagen für Physiker, Chemiker und Lehrer geeignet.
Mathematisch werden nur Kenntnisse der Differential- und Integralrechnung sowie
der Vektoranalysis vorausgesetzt. Zur Orientierung in der Vielfalt der Spezialgebiete
werden Hinweise zu Lehrbüchern der technischen Thermodynamik und physikali-
schen Chemie gegeben. Die Tabellen im Anhang stellen dem Leser einige für die
Praxis wichtige Daten direkt zur Verfügung.