Сила трения в земных условиях сопутствует любым движениям тел. Она возникает при соприкосновении двух тел, если эти тела двигаются относительно друг друга. Направлена сила трения всегда вдоль поверхности соприкосновения, в отличие от силы упругости, которая направлена перпендикулярно (рис. 1, рис. 2).
Рис. 1. Отличие направлений силы трения и силы упругости
Рис. 2. Поверхность действует на брусок, а брусок – на поверхность
Существуют сухие и не сухие виды трения. Сухой вид трения возникает при соприкосновении твердых тел.
Рассмотрим брусок, лежащий на горизонтальной поверхности (рис. 3). На него действуют сила тяжести и сила реакции опоры . Подействуем на брусок с небольшой силой , направленной вдоль поверхности. Если брусок не сдвигается с места, значит, приложенная сила уравновешивается другой силой, которая называется силой трения покоя .
Рис. 3. Сила трения покоя
Сила трения покоя () противоположна по направлению и равна по модулю силе, стремящейся сдвинуть тело параллельно поверхности его соприкосновения с другим телом.
При увеличении «сдвигающей» силы брусок остается в покое, следовательно, сила трения покоя также увеличивается. При некоторой, достаточно большой, силе брусок придет в движение. Это означает, что сила трения покоя не может увеличиваться до бесконечности – существует верхний предел, больше которого она быть не может. Величина этого предела – максимальная сила трения покоя.
Подействуем на брусок с помощью динамометра.
Рис. 4. Измерение силы трения с помощью динамометра
Если динамометр действует на него с силой , то можно увидеть, что максимальная сила трения покоя становится больше при увеличении массы бруска, то есть при увеличении силы тяжести и силы реакции опоры. Если провести точные измерения, то они покажут, что максимальная сила трения покоя прямо пропорциональна силе реакции опоры:
где – модуль максимальной силы трения покоя; N – сила реакции опоры (нормального давления); – коэффициент трения покоя (пропорциональности). Следовательно, максимальная сила трения покоя прямо пропорциональна силе нормального давления.
Если провести опыт с динамометром и бруском постоянной массы, при этом переворачивая брусок на разные стороны (меняя площадь соприкосновения со столом), то можно увидеть, что максимальная сила трения покоя не меняется (рис. 5). Следовательно, от площади соприкосновения максимальная сила трения покоя не зависит.
Рис. 5. Максимальное значение силы трения покоя не зависит от площади соприкосновения
Более точные исследования показывают, что трение покоя полностью определяется приложенной к телу силой и формулой .
Сила трения покоя не всегда препятствует движению тела. Например, сила трения покоя действует на подошву обуви, при этом сообщая ускорение и позволяя ходить по земле без проскальзывания (рис. 6).
Рис. 6. Сила трения покоя, действующая по подошву обуви
Еще один пример: сила трения покоя, действующая на колесо автомобиля, позволяет начинать движение без пробуксовки (рис. 7).
Рис. 7. Сила трения покоя, действующая на колесо автомобиля
В ременных передачах также действует сила трения покоя (рис. 8).
Рис. 8. Сила трения покоя в ременных передачах
Если тело движется, то сила трения, действующая на него со стороны поверхности, не исчезает, такой вид трения называется трение скольжения . Измерения показывают, что сила трения скольжения по величине практически равна максимальной силе трения покоя (рис. 9).
Рис. 9. Сила трения скольжения
Сила трения скольжения всегда направлена против скорости движения тела, то есть она препятствует движению. Следовательно, при движении тела только под действием силы трения она сообщает ему отрицательное ускорение, то есть скорость тела постоянно уменьшается.
Величина силы трения скольжения также пропорциональна силе нормального давления.
где – модуль силы трения скольжения; N – сила реакции опоры (нормального давления); – коэффициент трения скольжения (пропорциональности).
На рисунке 10 изображен график зависимости силы трения от приложенной силы. На нем видно два различных участка. Первый участок, на котором сила трения возрастает при увеличении приложенной силы, соответствует трению покоя. Второй участок, на котором сила трения не зависит от внешней силы, соответствует трению скольжения.
Рис. 10. График зависимости силы трения от приложенной силы
Коэффициент трения скольжения приблизительно равен коэффициенту трения покоя. Обычно коэффициент трения скольжения меньше единицы. Это означает, что сила трения скольжения по величине меньше силы нормального давления.
Коэффициент трения скольжения является характеристикой двух трущихся друг о друга тел, он зависит от того, из каких материалов изготовлены тела и насколько хорошо обработаны поверхности (гладкие или шероховатые).
Происхождение сил трения покоя и скольжения обуславливается тем, что любая поверхность на микроскопическом уровне не является плоской, на любой поверхности всегда присутствуют микроскопические неоднородности (рис. 11).
Рис. 11. Поверхности тел на микроскопическом уровне
Когда два соприкасающихся тела подвергаются попытке перемещения относительно друг друга, эти неоднородности зацепляются и препятствуют этому перемещению. При небольшой величине приложенной силы этого зацепления достаточно для того, чтобы не позволить телам смещаться, так возникает трение покоя. Когда внешняя сила превосходит максимальное трение покоя, то зацепления шероховатостей недостаточно для удержания тел, и они начинают смещаться относительно друг друга, при этом между телами действует сила трения скольжения.
Данный вид трения возникает при перекатывании тел друг по другу или при качении одного тела по поверхности другого. Трение качения, как и трение скольжения, сообщает телу отрицательное ускорение.
Возникновение силы трения качения обусловлено деформацией катящегося тела и опорной поверхностью. Так, колесо, расположенное на горизонтальной поверхности, деформирует последнюю. При движении колеса деформации не успевают восстановиться, поэтому колесу приходится как бы все время взбираться на небольшую горку, из-за чего появляется момент сил, тормозящий качение.
Рис. 12. Возникновение силы трения качения
Величина силы трения качения, как правило, во много раз меньше силы трения скольжения при прочих равных условиях. Благодаря этому качение является распространенным видом движения в технике.
При движении твердого тела в жидкости или газе на него действует со стороны среды сила сопротивления. Эта сила направлена против скорости тела и тормозит движение (рис. 13).
Главная особенность силы сопротивления заключается в том, что она возникает только при наличии относительного движения тела и окружающей его среды. То есть силы трения покоя в жидкостях и газах не существует. Это приводит к тому, что человек может сдвинуть даже тяжелую баржу, находящуюся на воде.
Рис. 13. Сила сопротивления, действующая на тело при движении в жидкости или газе
Модуль силы сопротивления зависит:
От размеров тела и его геометрической формы (рис. 14);
Состояния поверхности тела (рис. 15);
Свойства жидкости или газа (рис. 16);
Относительной скорости тела и окружающей его среды (рис. 17).
Рис. 14. Зависимости модуля силы сопротивления от геометрической формы
Рис. 15. Зависимости модуля силы сопротивления от состояния поверхности тела
Рис. 16. Зависимости модуля силы сопротивления от свойства жидкости или газа
Рис. 17. Зависимости модуля силы сопротивления от относительной скорости тела и окружающей его среды
На рисунке 18 показан график зависимости силы сопротивления от скорости тела. При относительной скорости, равной нулю, сила сопротивления не действует на тело. С увеличением относительной скорости сила сопротивления сначала растет медленно, а затем темп роста увеличивается.
Рис. 18. График зависимости силы сопротивления от скорости тела
При низких значениях относительной скорости сила сопротивления прямо пропорциональна величине этой скорости:
где – величина относительной скорости; – коэффициент сопротивления, который зависит от рода вязкой среды, формы и размеров тела.
Если относительная скорость имеет достаточно большое значение, то сила сопротивления становится пропорциональной квадрату этой скорости.
где – величина относительной скорости; – коэффициент сопротивления .
Выбор формулы для каждого конкретного случая определяется опытным путем.
Тело массой 600 г равномерно движется по горизонтальной поверхности (рис. 19). При этом к нему приложена сила, величина которой равна 1,2 Н. Определить величину коэффициента трения между телом и поверхностью.
Пусть на тело вращения, располагающееся на опоре, действуют: P - внешняя сила, пытающаяся привести тело в состояние качения или поддерживающая качение и направленная вдоль опоры, N - прижимающая сила и Rp - сила реакции опоры.
Если векторная сумма этих сил равна нулю, то ось симметрии тела движется равномерно и прямолинейно или остаётся неподвижной. Вектор Ft=-P определяет силу трения качения, противодействующую движению. Это означает, что прижимающая сила уравновешивается вертикальной составляющей реакции опоры, а внешняя сила уравновешивается горизонтальной составляющей реакции опоры.
Ft·R=N·f
Отсюда сила трения качения равна:
Происхождение трения качения можно наглядно представить себе так. Когда шар или цилиндр катится по поверхности другого тела, он немного вдавливается в поверхность этого тела, а сам немного сжимается. Таким образом, катящееся тело все время как бы вкатывается на горку. Вместе с тем происходит отрыв участков одной поверхности от другой, а силы сцепления, действующие между этими поверхностями, препятствуют этому. Оба эти явления и вызывают силы трения качения. Чем тверже поверхности, тем меньше вдавливание и тем меньше трение качения.
Обозначения:
Ft - сила трения качения
f - коэффициент трения качения, имеющий размерность длины (м) (следует отметить важное отличие от коэффициента трения скольжения μ , который безразмерен)
R - радиус тела
N - прижимающая сила
P - внешняя сила, пытающаяся привести тело в состояние качения или поддерживающая качение и направленная вдоль опоры;
Rp - реакция опоры.
ТРЕНИЕ КАЧЕНИЯ.
Из опыта человеческой деятельности известно, что работа, требуемая для качения тел друг относительно друга, обычно намного меньше, чем работа, необходимая для скольжения этих тел.
Трение качения наблюдается, когда одно тело перекатывается по другому и при повороте одного из которых относительно мгновенного или постоянного центра в контакт вступают новые участки поверхностей трения. Относительные скорости разных точек катящегося тела различны и определяются их удалением от контактной площадки (рис.).
Рис. Трение качения: 1 – перемещающееся тело, 2 – неподвижное тело
Трение качения встречается в подшипниках качения, парах колесо–рельс, ролик – транспортирующая лента конвейерных систем и др.
Различают чистое качение и качение с проскальзыванием.
Чистое качение – контакт тел является идеально упругим и происходит по линии (для цилиндра) или в точке (для сферы).
Качение будет чистым, если при повороте тела на малый угол φ его ось смещается на величину . Точки касания тела с основанием неподвижны относительно последнего.
На практике всегда реализуется качение с проскальзыванием.
Качение с проскальзыванием – контакт двух тел осуществляется по некоторой поверхности вследствие упругопластических и вязкопластических деформаций (рис.).
Контакт реальных тел качения представляет собой площадку конечных размеров, а не точку или линию, тогда линия действия реакции F*n плоскости не совпадает с линией действия нормальной силы Fn. Точка ее приложения смещается от центра контактной площадки к ее передней границе.
Рис. Схема качения колеса по плоскости
При качении колеса по деформируемой под нагрузкой Fn поверхности, к нему надо приложить момент вращения Fk⋅R для поддержания равномерного движения. Этот момент уравновешивается реактивным моментом F*n⋅K, возникающим вследствие того, что реакция F*n, численно равная внешней нагрузке Fn, смещена на величину K относительно линии действия силы Fn.
Составив уравнение моментов относительно точки A, получим:
Смещение K называется коэффициентом трения качения, имеющим линейную размерность.
Наряду с этой величиной употребляется безразмерная величина fс – коэффициент сопротивления качению:
При использовании этого коэффициента необходимо указывать, на каком радиусе получено значение Fk.
Природа трения качения.
Согласно современным представлениям, при качении упругого колеса по упругому полупространству сопротивление качению Fk обусловлено тремя причинами: гистерезисными потерями F1, микропроскальзыванием в зоне контакта F2 и адгезией в контактной зоне F3:
.
В реальных условиях при качении тела могут наблюдаться все три составляющие трения качения одновременно (рис.).
Рис. Зоны локализации адгезионного взаимодействия, гистерезисных потерь и проскальзывания при качении цилиндра
На первом участке (рис.) реализуется в основном адгезионное взаимодействие. На этом участке поверхности трения тел качения будут разделяться с разрывом адгезионных связей.
Гистерезисные потери (первый и третий участки) наблюдаются в областях максимальных деформаций сдвига и нормальных деформаций материалов контактирующих тел в направлении вектора скорости.
Проскальзывание реализуется на всей длине контакта (все три участка).
Четвертая составляющая трения качения – механические потери в смазочном материале (качение по смазке).
Упругий гистерезис возникает вследствие несовершенства упругих свойств реальных тел, участвующих в трении качения (рис.).
Рис. Петля гистерезиса при знакопеременном нагружении материала
Под влиянием напряжения σ возникает деформация ε, однако, поскольку тело не идеально упругое, ε не прямо пропорционально σ (нарушается закон Гука, OA не прямая). Если снять напряжение (σ=0), остается остаточная деформация ОB, для снятия которой требуется отрицательное напряжение ОЕ, т. е. сжимающая нагрузка. Прикладывая последовательно положительное и отрицательное напряжения, получим петлю ABECDYA, которую называют петлей гистерезиса. Площадь петли численно равна работе, необратимо рассеянной за один цикл в единице объема.
Таким образом, каждый элемент плоскости, по которой катится цилиндр, испытывает последовательно цикл «нагрузка-разгрузка», который описывается петлей гистерезиса.
Физически гистерезис обусловлен переползанием дислокаций при нагружении. Увеличение числа дислокаций увеличивает гистерезисные потери.
Сила трения качения жесткого цилиндра по упругому полупространству описывается формулой:
,
где b – полуширина площадки контакта, αg – коэффициент гистерезисных потерь (зависит от нагрузки, и вида деформирования), l – длина цилиндра, R – радиус цилиндра, Fn – нормальная нагрузка.
В общем случае гистерезисные потери обусловлены внутренним трением, а также пластическим деформированием микровыступов и пластическим оттеснением граничного смазочного слоя.
Теоретическое изучение сопротивление качению при несовершенной упругости было выполнено.
При качении цилиндра по вязкоупругому основанию для малых скоростей , для больших – 
,
где c – константа, включающая параметры модели, v – скорость качения.
Видно, что в интервале малых скоростей качения уселичение скорости приводит к росту сопротивления качения, а при больших скоростях – к его уменьшению.
Сопротивление качению шара по поверхности пластического основания выражается соотношением
где σn – нормальные напряжения, зависящие от давления на контактной площадке и механических свойств тел качения.
Гистерезисная теория справедлива для качения твердых тел по резине, однако распространение ее на металлы не всегда оправдано.
Основной причиной сопротивления качению считается проскальзывание. Проскальзывание может быть обусловлено деформацией контактирующих тел (О. Рейнольдс) или различием в скоростях различных точек катящегося тела (А. Пальмгрен и Г. Хизкоут).
Проскальзывание по Рейнольдсу наглядно наблюдается при качении жесткого цилиндра по резине. За один оборот цилиндр проходит меньшее расстояние, чем длина его окружности. Это объясняется деформацией контактирующих тел. Под действием нормальной нагрузки материал основания деформируется и контакт осуществляется не по линии, а по площадке шириной AC (рис.). При этом материал цилиндра в зоне контакта сжат, а материал опорной поверхности растянут. Поэтому при повороте цилиндра освобождающиеся от контакта точки его поверхности будут стремиться удалиться друг от друга, а точки поверхности – сблизиться. Это приводит к проскальзыванию микроучастков контактирующих поверхностей одного тела относительно другого.
Рис. Деформации поверхностных слоев при контактировании цилиндра и плоскости
Вклад проскальзывания в сопротивление качению зависит от отношения радиуса шара к радиусу желоба.
В зоне АС (см. рис.) при качении поверхности будут разделяться с разрывом адгезионных связей, действующих между катком и поверхностью в зоне выхода трущихся тел из контакта. Этим фактором обусловлено проявление адгезионной составляющей F3 в контактной зоне.
Вклад в сопротивление качению микропроскальзывания и адгезии мал. Большую часть составляют гистерезисные потери.
Факторы, влияющие на сопротивление качению.
Нормальная нагрузка – при качении тела по плоскости увеличение нормальной нагрузки вызывает монотонное повышение fc (рис.) – зависимость близка к линейной. Это обусловлено одновременным ростом всех составляющих сопротивления качению: адгезионной (увеличение площади фактического контакта); проскальзывания (рост деформаций поверхностных слоев); гистерезисных потерь (увеличение доли пластических деформаций).
Рис. Влияние нормальной нагрузки на коэффициент сопротивления качению
Смазка. При высоких нормальных нагрузках численное значение коэффициента сопротивления качению в значительной степени определяется наличием в зоне контакта оксидных или смазочных пленок, разделяющих сопрягаемые детали. При обильной смазке (кривая 1 на рис.) коэффициент сопротивления качению принимает при прочих равных условиях более низкие значения, чем при обедненной подаче смазочных в зону трения (кривая 2 на рис.). Химическая очистка поверхности (кривая 3 на рис.) способствует повышению адгезионной составляющей и проскальзывания, что повышает сопротивление качению.
При малых значениях нагрузки применение смазочного материала снижает коэффициент сопротивления качению незначительно (на 10 – 15%), чем больше смазки, тем меньше сопротивление. Незначительное влияние вызвано компенсацией снижения затрат на проскальзывание и адгезию, затратами на преодоление внутреннего трения в слое смазочного материала.
Рис. Влияние нагрузки и наличия смазочного материала на коэффициент сопротивления качению
Размеры и форма тела качения. С увеличением радиуса тела качения R, в области малых его значений, сопротивление качению уменьшается вследствие снижения гистерезисных потерь (больше радиус – меньше контактное давление, меньше доля пластических деформаций). С увеличением R в области больших значений преобладающим становится влияние адгезионной составляющей, которая растет с увеличением поверхности контакта.
Рис. Зависимость коэффициента сопротивления качению от радиуса катящегося тела
Рост поверхностной температуры приводит к снижению физико-механических свойств тел в зоне контакта, что вызывает увеличение гистерезисных потерь (увеличение доли пластического деформирования) и адгезионной составляющей (увеличение площади фактического контакта), следовательно, растет коэффициент сопротивления качению. Вид зависимости обуславливается зависимостью упругих свойств материалов тел от температуры.
Микротвердость. С увеличением микротвердости уменьшаются потери на проскальзывание и их деформацию, снижается глубина относительного внедрения поверхностей трения, что приводит к уменьшению площади фактического контакта и адгезионного взаимодействия. В итоге снижается сопротивление трению качения
Увеличение скорости вызывает монотонное увеличение fc. Причем эта зависимость менее существенна для качения цилиндра по цилиндру, чем шара по шару.
К важным факторам, определяющим сопротивление тел качению, также относятся: отклонение их от правильной геометрической формы, шероховатость поверхностей, структура материалов тел качения. Макрогеометрические отклонения поверхностей тел качения от идеальной формы тел вращения вызывают рост коэффициента сопротивления и снижают его стабильность. При переходе от шероховатой к гладкой поверхности плоского тела сопротивление качению уменьшается в 2–3 раза.
Трение - физическое явление, с которым человек борется с целью его уменьшения в любых вращающихся и скользящих частях механизмов, без которого, однако, невозможно движение ни одного из этих механизмов. В данной статье рассмотрим с точки зрения физики, что такое сила
Какие виды сил трения существуют в природе?
В первую очередь рассмотрим, какое место трение качения занимает среди других сил трения. Эти силы возникают в результате контакта двух разных тел. Это могут быть тела твердые, жидкие или газообразные. Например, полет самолета в тропосфере сопровождается наличием трения между его корпусом и молекулами воздуха.
Рассматривая исключительно твердые тела, выделяют силы трения покоя, скольжения и качения. Каждый из нас замечал: чтобы сдвинуть с места коробок, находящийся на полу, необходимо вдоль поверхности пола приложить некоторую силу. Значение силы, которое выведет коробок из состояния покоя, будет по модулю равно силе трения покоя. Последняя действует между дном коробка и поверхностью пола.
Как только коробок начал свое движение, необходимо прилагать постоянную силу, чтобы сохранять это движение равномерным. Связан этот факт с тем, что между контактом пола и коробком на последний действует сила трения скольжения. Как правило, она на несколько десятков процентов меньше, чем трение покоя.
Если под коробок положить круглые цилиндры из твердого материала, то перемещать его станет гораздо легче. На вращающиеся в процессе движения цилиндры под коробком будет действовать сила Она обычно намного меньше предыдущих двух сил. Именно поэтому изобретение человечеством колеса стало огромным скачком в сторону прогресса, ведь люди получили возможность перемещать гораздо большие грузы с помощью небольшой приложенной силы.
Физическая природа трения качения
Почему возникает сила трения качения? Этот вопрос является непростым. Для ответа на него следует детально рассмотреть, что происходит с колесом и поверхностью в процессе качения. В первую очередь они не являются идеально гладкими - ни поверхность колеса, ни поверхность, по которой оно катится. Тем не менее это не основная причина появления трения. Главной же причиной является деформация одного или обоих тел.
Любые тела, из какого бы твердого материала они ни состояли, деформируются. Чем больше вес тела, тем большее давление оно оказывает на поверхность, а значит, деформируется само в точке контакта и деформирует поверхность. Эта деформация в ряде случаев настолько мала, что не превышает предела упругости.
В процессе качения колеса деформированные участки после прекращения контакта с поверхностью восстанавливают исходную форму. Тем не менее эти деформации циклически повторяются с новым оборотом колеса. Любая циклическая деформация, даже если она лежит в пределе упругости, сопровождается гистерезисом. Иными словами, на микроскопическом уровне форма тела до и после деформации отличается. Гистерезис циклов деформации в процессе качения колеса приводит к "распылению" энергии, что проявляется на практике в виде появления силы трения качения.
Качение идеального тела
Под идеальным телом в данном случае имеется в виду то, что оно является недеформируемым. В случае идеального колеса площадь его контакта с поверхностью равна нулю (оно касается поверхности вдоль линии).
Охарактеризуем силы, которые действуют на недеформируемое колесо. Во-первых, это две вертикальные силы: вес тела P и N. Обе силы проходят через центр масс (ось колеса), поэтому в создании крутящего момента не принимают участия. Для них можно записать:
Во-вторых, это две горизонтальные силы: внешняя сила F, которая толкает колесо вперед (она проходит через центр масс), и сила трения качения f r . Последняя создает крутящий момент M. Для них можно записать такие равенства:
Здесь r - радиус колеса. Эти равенства содержат очень важный вывод. Если сила трения f r будет бесконечно малой, то она все равно создаст крутящий момент, который приведет к движению колеса. Поскольку внешняя сила F равна величине f r , то любое бесконечно малое значение F приведет к качению колеса. Это означает, что если тело качения является идеальным и не испытывает деформации в процессе движения, то ни о какой силе трения качения говорить не приходится.
Все существующие тела являются реальными, то есть испытывают деформацию.
Качение реального тела
Теперь рассмотрим описанную выше ситуацию только для случая реальных (деформируемых) тел. Площадь касания колеса и поверхности уже не будет равна нулю, она будет иметь некоторое конечное значение.
Проведем анализ сил. Начнем с действия вертикальных сил, то есть веса и реакции опоры. Они по-прежнему равны друг другу, то есть:
Однако сила N теперь действует вертикально вверх не через ось колеса, а несколько смещена от нее на расстояние d. Если представить площадь соприкосновения колеса с поверхностью в виде площади прямоугольника, то длиной этого прямоугольника будет толщина колеса, а ширина будет равна 2*d.
Теперь перейдем к рассмотрению горизонтальных сил. Внешняя сила F по-прежнему не создает момента вращения и равна силе трения f r по абсолютной величине, то есть:
Момент сил, приводящий к вращению, будет создавать трение f r и реакцию опоры N. Причем эти моменты будут направлены в разные стороны. Соответствующее выражение имеет вид:
В случае равномерного движения момент M будет равен нулю, поэтому получаем:
Последнее равенство с учетом записанных выше формул можно переписать так:
По сути, мы получили главную для понимания силы трения качения формулу. Далее в статье проведем ее анализ.
Коэффициент сопротивления качению
Этот коэффициент уже был введен выше. Также было дано геометрическое его объяснение. Речь идет о величине d. Очевидно, что чем больше эта величина, тем больший момент создает сила реакции опоры, который препятствует движению колеса.
Коэффициент сопротивления качению d, в отличие от коэффициентов трения покоя и скольжения, - величина размерная. Измеряется он в единицах длины. В таблицах его приводят обычно в миллиметрах. Например, для колес поезда, катящихся по стальным рельсам, d = 0,5 мм. Величина d зависит от твердости двух материалов, от нагрузки на колесо, от температуры и некоторых других факторов.
Коэффициент трения качения
Не нужно его путать с предыдущим коэффициентом d. Коэффициент трения качения обозначают символом C r и вычисляют по следующей формуле:
Это равенство означает, что величина C r является безразмерной. Именно она приводится в ряде таблиц, содержащих информацию о рассматриваемом виде трения. Этот коэффициент удобно использовать для практических расчетов, поскольку он не предполагает знания радиуса колеса.
Величина C r в подавляющем большинстве случаев меньше, чем коэффициенты трения и покоя. Например, для автомобильных шин, движущихся по асфальту, величина C r находится в пределах нескольких сотых (0,01 - 0,06). Однако она значительно возрастает при движении спущенных колес по траве и по песку (≈0,4).
Анализ полученной формулы для силы fr
Запишем еще раз полученную выше формулу силы трения качения:
Из равенства следует, что чем больше диаметр колеса, тем меньшую силу F следует приложить, чтобы оно начало движение. Теперь запишем это равенство через коэффициент C r , имеем:
Как видно, сила трения прямо пропорциональна весу тела. Кроме того, при значительном увеличении веса P изменяется сам коэффициент C r (он возрастает в виду увеличения d). В большинстве практических случаев C r лежит в пределах нескольких сотых. В свою очередь, значение коэффициента трения скольжения лежит в пределах нескольких десятых. Поскольку для сил трения качения и скольжения формулы одинаковые, то качение оказывается выгодным с энергетической точки зрения (сила f r меньше на порядок силы скольжения в большинстве практических ситуаций).
Условие качения
Многие из нас встречались с проблемой проскальзывания колес автомобиля при движении по льду или по грязи. Почему это происходит? Ключ к ответу на этот вопрос лежит в соотношении абсолютных значений сил трения качения и покоя. Еще раз выпишем формулу для качения:
Когда сила F будет больше или равна трению качения, тогда колесо начнет катиться. Однако если эта сила раньше превзойдет величину трения покоя, то раньше наступит проскальзывание колеса, чем его качение.
Таким образом, эффект проскальзывания определяется соотношением коэффициентов трения покоя и трения качения.
Способы противодействия проскальзыванию колеса автомобиля
Трение качения колеса автомобиля, находящегося на скользкой поверхности (например, на льду) характеризуется коэффициентом C r = 0,01-0,06. Однако значения такого же порядка характерны для коэффициента трения покоя.
Чтобы избежать риска проскальзывания колеса, используют специальную "зимнюю" резину, в которую вкручены металлические шипы. Последние, врезаясь в ледяную поверхность, увеличивают коэффициент трения покоя.
Другой способ увеличение трения покоя заключается в модификации поверхности, по которой движется колесо. Например, с помощью посыпания ее песком или солью.
Трение (фрикционное взаимодействие) – процесс взаимодействия тел при их относительном движении (смещении) либо при движении тела в газообразной или жидкой среде.
Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется трибология (механика фрикционного взаимодействия).
Трение принято разделять на:
- сухое , когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями / смазками (в том числе и твёрдыми смазочными материалами) – очень редко встречающийся на практике случай; характерная отличительная черта сухого трения – наличие значительной силы трения покоя;
- граничное , когда в области контакта могут содержаться слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и так далее) – наиболее распространённый случай при трении скольжения;
- жидкостное (вязкое), возникающее при взаимодействии тел, разделённых слоем твёрдого тела (порошком графита), жидкости или газа (смазки) различной толщины – как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость, величина вязкого трения характеризуется вязкостью среды;
- смешанное , когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
- эластогидродинамическое (вязкоупругое), когда решающее значение имеет внутреннее трение в смазывающем материале. Возникает при увеличении относительных скоростей перемещения.
Сила трения – это сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их относительному движению.
Причины возникновения силы трения:
- шероховатость соприкасающихся поверхностей;
- взаимное притяжение молекул этих поверхностей.
Трение скольжения – сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих / взаимодействующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения.
Трение качения – момент сил, возникающий при качении одного из двух контактирующих / взаимодействующих тел относительно другого.
Трение покоя – сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга.
Сила трения прямо пропорциональна силе нормальной реакции, то есть зависит от того, насколько сильно тела прижаты друг к другу и от их материала, поэтому основной характеристикой трения является коэффициент трения , который определяется материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел.
Износ – изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия вследствие разрушения (изнашивания) поверхностного слоя при трении.
Работа любой машины неизбежно сопровождается трением при относительном движении её частей, поэтому полностью устранить износ невозможно. Величина износа при непосредственном контакте поверхностей прямо пропорциональна работе сил трения.
Абразивный износ частично вызывается действием пыли и грязи, поэтому очень важно содержать оборудование в чистоте, особенно её трущиеся части.
Для борьбы с износом и трением заменяют одни металлы другими, более устойчивыми, применяют термическую и химическую обработку трущихся поверхностей, точную механическую обработку, а также заменяют металлы различными заменителями, изменяют конструкцию, улучшают смазку (изменяют вид, вводят присадки) и т.д.
В машинах стремятся не допускать непосредственного трения скольжения твёрдых поверхностей, для чего или разделяют их слоем смазки (жидкостное трение), или же вводят между ними добавочные элементы качения (шариковые и роликовые подшипники).
Основное правило конструирования трущихся деталей машин состоит в том, что более дорогой и трудно заменяемый элемент трущейся пары (вал) изготовляют из более твёрдого и более износоустойчивого материала (твёрдая сталь), а более простые, дешёвые и легко заменяемые части (вкладыши подшипников) изготовляют из сравнительно мягкого материала с небольшим коэффициентом трения (бронза, баббит).
Большинство деталей машин выходят из строя именно вследствие износа, поэтому уменьшение трения и износа даже на 5-10% даёт огромную экономию, что имеет исключительное значение.
Перечень ссылок
- Трение // Википедия. – http://ru.wikipedia.org/wiki/Трение .
- Износ (техника) // Википедия. – http://ru.wikipedia.org/wiki/Износ_(техника) .
- Трение в машинах, трение и износ в машиностроении // Проект-Технарь. Прогрессивные авто-технологии. – http://www.studiplom.ru/Technology/Trenie.html .
Вопросы для контроля
- Что такое трение?
- Какие существуют разновидности трения?
- Что приводит к возникновению силы трения?
- Как классифицируют трение в зависимости от действующих сил?
- Что такое износ и как с ним борются?
| < |
Загрузка...
