sciencetalk

Hoi, ik ben voor een project bezig met het lostrillen van moeren van schroeven. Ik begrijp dat door resonantie de moer in beweging gezet kan worden en dan over de groeven van de schroef gaan lopen. Wat ik graag wil weten is wat bepaalt welke kant de moer op gaat bewegen? of is dat willekeurig en blijft hij gewoon in een richting doorgaan? Alvast bedankt!

Ik heb geen antwoord op je vraag, maar herken wel je probleem. Ik heb soms dat de bovenkant van mijn fietsbel spontaan eraf valt, omdat hij een heel stuk "omhoog" is gedraaid door trillingen door het fietsen.

Wat een mooie vraag.
 
Resonantie is geen verklaring maar een oorzaak.
Resonantie verklaart waarom een constructie (heftig) trilt. Het verklaart niet waarom een trillende schroef losdraait. Pas als je verklaart waarom een trillende schroef losdraait, kun je uitleggen dat resonantie het losdraaien van schroeven veroorzaakt.
 
De losdraaiende fietsbel is een wonderlijk fenomeen. Ik heb het volgende mechanisme bedacht (uit m'n duim gezogen dus dubieus maar in het eerste deel heb ik wel vertrouwen, deel 2 is speculatief)
 
Een bel draait los in twee fasen:
 
1. Bel zit klemvast: 
2. Bel zit los op het schroefdraad.
 
 
1. Bel zit klemvast
De elastische spanning in het schroefdraad van de bel veroorzaakt een moment in de losdraai-richting (het schroefdraad is immers schuin). Dat merk je als je het ding losdraait, dat gaat veel gemakkelijker dan vastdraaien. De wrijvingskracht zal in beide richtingen toch wel even groot zijn.
 
Zonder trilling kan de schuifwrijvingskracht langs het schroefdraad (dat door elastische vervorming tegen elkaar aan geklemd is) gemakkelijk een even groot moment leveren dat losdraaien tegengaat. Als de bel trilt varieert de normaalkracht waarmee het binnenschroefdraad en het buitenschroefdraad op elkaar drukt. Als die normaalkracht eventjes zo klein wordt dat de wrijving het elastische losdraai-moment niet meer kan opheffen,  zal de bel een klein stukje losdraaien.
 
2. Bel zit los op het  schroefdraad
Als het schroefdraad van de trillende bel tegen de bovenkant van de binnendraad naar beneden stuitert, dan glijdt het een beetje af en het stuitert schuin naar beneden terug  wat een draaiing in de losdraai-richting veroorzaakt. Mogelijk is dat effect een beetje groter dan het omgekeerde effect (als de bel naar boven stuitert) doordat door de zwaartekracht de schuifwrijving aan de onderkant groter is (het schroefdraad glijdt gemakkelijker langs de bovenkant).
 
Ik zie dit nog  niet zo duidelijk voor me; zou het bij linksdraaiend schroefdraad andersom werken? Zou het niet of minder gauw helemaal los trillen als het schroefdraad verticaal is? (mijn ruimtelijk inzicht laat me in de steek nu).  Als ik OP was zou ik dat soort zaken in de praktijk testen.

Een boutverbinding heeft de neiging om los te trillen, niet om vast te trillen. De asymmetrie komt door de spankracht in de bout en de helling van de schroefdraad. Als het een verticale bout is die twee horizontale platen op elkaar moet klemmen, dan komt het losdraaien door horizontale trillingen van de platen ten opzichte van elkaar (onderling verschuiven; resonantie speelt daarbij geen rol). De opstelling waarin dat onderzocht wordt heet de Junker test. Als de bout zover is losgetrild dat de spankracht nul is heeft hij niet de neiging om nog verder los te draaien.
 
Op youtube kun je mooie filmpjes vinden over screw self-loosening, zoals 1 en 2

Als de bout zover is losgetrild dat de spankracht nul is heeft hij niet de neiging om nog verder los te draaien.

 

Dat lijkt mij ook logisch, maar het wordt wel eens gelogenstraft door de feiten.

 

Dat de zwaartekracht van invloed is, mag duidelijk zijn. Een losse moer op een verticaal draadeind zal in de regel bij trillingen naar beneden gaan, hoewel tegen de zwaartekracht naar boven m.i. niet uitgesloten is.

 

Mijn fietsbeldop (meerdere keren meegemaakt) heeft de vervelende neiging zich tegen de zwaartekracht in omhoog, van de spindel af te werken en dan klettert hij op straat of in de sloot.
 

Hoe verklaart men dit laatste?

Michel Uphoff schreef:  Hoe verklaart men dit laatste?

 
Mijn hypothese, zie bericht #3 is dat de zwaartekracht de asymmetrie veroorzaakt in het naar boven bewegen en losdraaien en naar beneden bewegen en vastdraaien doordat de wrijvingskracht anders is.  
 
Neem aan dat de trilling een kracht F veroorzaakt die die beurtelings even lang verticaal omhoog tegen de helling van het schroefdraad duwt en verticaal omlaag tegen dezelfde helling en dat de schroef losdraait door het schuiven aan de bovenkant en vastdraait door het schuiven aan de onderkant.  Neem verder een dynamische wrijvingscoëfficiënt f aan waarmee de oppervlakken over elkaar schuiven. De (kleine) hoek  van de helling van het schroefdraad is Θ.
 
Er werkt dus beurtelings een kracht even lang F-F_z loodrecht op de helling aan de bovenkant en F+F_z loodrecht op de helling aan de onderkant. 
 
Dan kun je uitrekenen dat de het verschil in kracht waarmee de moer wordt losgedraaid in de richting van de helling bij het omhoog stuiteren min de kracht waarmee de moer wordt vastgedraaid gelijk is aan: 2f F_z cos(Θ)- 2F_z sin(Θ). Als dus f cos(Θ) > sin(Θ) zal de schroef langzaam losdraaien. Bij kleine hoek is dit zo. De kracht F komt hier niet in voor, dat is niet zo verrassend want die geeft een gelijke component langs de helling omlaag en langs de helling omhoog. Natuurlijk valt er meer over te zeggen maar ik denk dat dit het mechanisme wel aannemelijk maakt.

Michel Uphoff schreef: Mijn fietsbeldop (meerdere keren meegemaakt) heeft de vervelende neiging zich tegen de zwaartekracht in omhoog, van de spindel af te werken en dan klettert hij op straat of in de sloot.

 

Hoe verklaart men dit laatste?

 
Maar valt de dop er niet ook af als de bel ondersteboven aan het stuur is gemonteerd? De beweging van de rammelende dop zou een random walk kunnen zijn zonder voorkeursrichting. 
 

Anton_v_U schreef: Mijn hypothese, zie bericht #3 is dat de zwaartekracht de asymmetrie veroorzaakt in het naar boven bewegen en losdraaien en naar beneden bewegen en vastdraaien doordat de wrijvingskracht anders is.  

 
Ik heb de indruk dat jouw mechanisme impliceert dat zand op een trillende helling omhoog zou kruipen. Dat zou niet correct zijn.  

jkien schreef:  
Ik heb de indruk dat jouw mechanisme impliceert dat zand op een trillende helling omhoog zou kruipen. Dat zou niet correct zijn.  

 
Niet op een trillende helling, misschien wel (onder de juiste omstandigheden) als een enkele korrel tussen een helling en een daarmee evenwijdig hellend erg laag plafond trilt. Net als schroefdraad is ingeklemd tussen hellend schroefdraad aan de onderkant en evenwijdig hellend schroefdraad aan de bovenkant. 
 
 
 

jkien schreef:  
Ik heb de indruk dat jouw mechanisme impliceert dat zand op een trillende helling omhoog zou kruipen. Dat zou niet correct zijn.  

Dat zou volgens mij nog kunnen ook als de trilling asymmetrisch is
 

zie figuur,
 
Linkerkant: stukje schroefdraad van de bout dat omhoog stuitert tegen schroefdraad van de verticale spindel met schroefdraad onder hoek Θ. Het stuiteren betekent dat de bout met een verticale kracht F-F_z tegen het schroefdraad van de spindel wordt geduwd. F is de kracht door het stuiteren zonder de zwaartekracht (als je de zwaartekracht wegneemt, stuitert het even hard met kracht F tegen de bovenkant en tegen de onderkant)
 
Als je een wrijvingscoëfficiënt f aanneemt en dynamische wrijving in beide gevallen (i.e. er is beweging), kun je de resulterende kracht F_res,los waarmee de bout langs het schroefdraad los draait berekenen (zie constructie).
 
Rechterkant: stukje schroefdraad van de bout stuitert omlaag. Daaruit volgt op dezelfde manier F_{res, vast}
 
Het verschil is voor kleine hoek positief, dat wil zeggen dat de bout los trilt als de bout even lang los draait met F_res,los ondervindt als vast draait met F_res,vast

als de trilling asymmetrisch is

 
Dat lijkt mij intuïtief de meest waarschijnlijke verklaring. Met een zaagtandoscillatie, gecombineerd met inertie en wrijving kan je tegen de zwaartekracht in een massa langs de schroefdraadhelling omhoog laten kruipen. Of de dop ook ondersteboven los- of juist vastdraait kan ik niet controleren. Ik heb die oude rammelfiets al een jaar of 40 niet meer.

Zoiets zal het met die fietsbel wel zijn: het kan ook dat de draad daarvan een vorm heeft die gunstig is voor het losdraaien als gevolg van trilling. De bovenkant van die bel is bovendien best een groot ding waardoor de situatie anders is dan een moertje op een draadeind: er ontstaan door de trilling dwarskrachten die niet helemaal 90 graden op het draadeind staan.

 
Zou de tweede hoofdwet van de thermodynamica niet van toepassing kunnen zijn? Als een systeem zich altijd ontwikkelt naar een minder ordelijke situatie, dan lijkt mij dat een loszittende moer een grotere mate van wanorde kent dan die ene mogelijkheid van een vastzittende. Je kan daar tegenin brengen dat daarmee nog niet is aangetoond hóe de schroef dan losser komt te zitten, maar dat is niet van belang, omdat de oorzaak de tweede hoofdwet is. Een moer zal uit zichzelf nooit vást ``gerammeld`` kunnen worden, evenmin als een gebroken ei zich weer tot een heel ei samenvoegt. En als de schroef eenmaal los ``gerammeld`` ís zou je nog kunnen denken dat de schroef in beide richtingen gerammeld wordt, maar de toestand van een losse schroef is er een van een nóg grotere wanorde.

Mogelijk zijn klappen die de beldop krijgt door oneffenheden in de straat groter bij een klap omhoog, dan bij het weer naar beneden gaan, als de fiets over een oneffenheid (verhoging) rijdt?
Die oneffenheid is vaak niet breed en geeft dan een korte stoot omhoog en het terugzakken van de band tot het niveau van de straat wordt door de band gedempt.
 
Bij een smalle verdieping gebeurt er verder weinig, want die zal de band probleemloos overspannen.
De grote massa van de beldop zal op de krachtige stoot omhoog beter reageren, dan op de gedempte stoot omlaag.
De kracht naar boven of naar beneden moet groot genoeg zijn, om de frictie te overwinnen en dat gaat bij de stoot omhoog makkelijker, omdat die kracht groter is.

 
Maar als de stoot omhoog krachtiger is zal de wrijving tussen schroef en moer ook groter worden en omgekeerd naar beneden. De schroef beweegt, zoals elk systeem, naar een toestand met hogere entropie, d.w.z. naar het punt waar hij van de schroef afvalt. Ook als de schroef en moer een horizontale positie hebben zal bij een willekeurig bewegen van de schroef (die globaal gezien horizontaal blijft) de moer naar het einde van de schroef bewegen (zoals de moeren die op de schroeven zitten die je voorwiel vast moeten houden aan de voorvork).
Ooit een moer gezien die vanzelf vastdraait op een schroef door de schroef willekeurig te bewegen? Dat gebeurt alleen als wij het zelf doen.
In het geval van een horizontale schroef met moer kun je jezelf Natuurlijk afvragen hoe de moer ``weet`` welke kant het einde van de schroef is. Misschien laat in het geval van een moer die van een schroef op het voorwiel los draait de moer op de schroef een spoor achter na het loskomen dat voorkomt dat het weer de andere kant opdraait. Neem je een schroef die aan beide kanten van de schroef gelijk is dan zal de schroef op zijn plaats blijven.
Hetzelfde kan het geval zijn voor verticale schroeven met vaste moeren die losgeschud worden.