Трение

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Тре́ние — процесс взаимодействия тел при их относительном движении (смещении) либо при движении тела в газообразной или жидкой среде. По-другому называется фрикционным взаимодействием (англ. friction). Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется механикой фрикционного взаимодействия, или трибологией.

Трение главным образом имеет электронную природу при условии, что вещество находится в нормальном состоянии. В сверхпроводящем состоянии вдалеке от критической температуры основным «источником» трения являются фононы, а коэффициент трения может уменьшиться в несколько раз[ссылка 1].

Формула силы трения

Сила трения[править | править вики-текст]

Сила трения — это сила, возникающая при соприкосновении двух тел и препятствующая их относительному движению. Причиной возникновения трения является шероховатость трущихся поверхностей и взаимодействие молекул этих поверхностей. Сила трения зависит от материала трущихся поверхностей и от того, насколько сильно эти поверхности прижаты друг к другу. В простейших моделях трения (закон Кулона для трения) считается, что сила трения прямо пропорциональна силе нормальной реакции между трущимися поверхностями. В целом же, в связи со сложностью физико-химических процессов, протекающих в зоне взаимодействия трущихся тел, процессы трения принципиально не поддаются описанию с помощью простых моделей классической механики.

Разновидности силы трения[править | править вики-текст]

При наличии относительного движения двух контактирующих тел силы трения, возникающие при их взаимодействии, можно подразделить на:

  • 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. Возникает при микроперемещениях (напримере, при деформации) контактирующих тел. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного относительного движения.

Характер фрикционного взаимодействия[править | править вики-текст]

В физике взаимодействия трение принято разделять на:

  • сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками (в том числе и твердыми 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.
  • смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
  • жидкостное (вязкое), 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;
  • эластогидродинамическое (вязкоупругое), когда решающее значение имеет внутреннее трение в смазывающем материале. Возникает при увеличении относительных скоростей перемещения.

Закон Амонтона — Кулона[править | править вики-текст]

Основной характеристикой трения является коэффициент трения \mu, который определяется материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел.

В простейших случаях сила трения F и нормальная нагрузка (или сила нормальной реакции) N_{normal} связаны неравенством

 | F | \leqslant \mu {N_{normal}},

обращающимся в равенство только при наличии относительного движения. Это соотношение называется законом Амонтона — Кулона.

Пример коэффициентов трения покоя и скольжения для некоторых пар материалов:

Пары материалов \mu покоя \mu скольжения
Сталь-Сталь 0,8 0,15–0,18
Резина-Сухой асфальт 0,95–1,0 0,50–0,8
Резина-Влажный асфальт 0,25-0,75
Лед-лед 0,05–0,1 0,028
Резина-Лед 0,3 0,15–0,25
Стекло-стекло 0,9 0,7
Нейлон-Нейлон 0,15-0,25
Полистирол-Полистирол 0,5
Плексиглас, оргстекло 0,8

Закон Амонтона — Кулона с учетом адгезии[править | править вики-текст]

Для большинства пар материалов значение коэффициента трения \mu не превышает 1 и находится в диапазоне 0,1 — 0,5. Если коэффициент трения превышает 1 (\mu > 1), это означает, что между контактирующими телами имеется сила адгезии N_{adhesion} и формула расчета коэффициента трения меняется на

\mu = \frac{F}{N_{normal}+N_{adhesion}}.

Прикладное значение[править | править вики-текст]

Трение в механизмах и машинах[править | править вики-текст]

В большинстве традиционных механизмов (ДВС, автомобили, зубчатые шестерни и пр.) трение играет отрицательную роль, уменьшая КПД механизма. Для уменьшения силы трения используются различные натуральные и синтетические масла и смазки. В современных механизмах для этой цели используется также напыление покрытий (тонких плёнок) на детали. С миниатюризацией механизмов и созданием микроэлектромеханических систем (МЭМС) и наноэлектромеханических систем (НЭМС) величина трения по сравнению с действующими в механизме силами увеличивается и становится весьма значительной (\mu \geqslant 1), и при этом не может быть уменьшена с помощью обычных смазок, что вызывает значительный теоретический и практический интерес инженеров и учёных к данной области. Для решения проблемы трения создаются новые методы его снижения в рамках трибологии и науки о поверхности (англ.).

Сцепление с поверхностью[править | править вики-текст]

Наличие трения обеспечивает возможность перемещаться по поверхности. Так, при ходьбе именно за счёт трения происходит сцепление подошвы с полом, в результате чего происходит отталкивание от пола и движение вперёд. Точно так же обеспечивается сцепление колёс автомобиля (мотоцикла) с поверхностью дороги. В частности, для увеличения улучшения этого сцепления разрабатываются новые формы и специальные типы резины для покрышек, а на гоночные болиды устанавливаются антикрылья, сильнее прижимающие машину к трассе.

Журналы[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • Зайцев А.К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 1. Трение в машинах. Теория, расчет и конструкция подшипников и подпятников скольжения. Машгиз. М.-Л. - 1947. 256 с.
  • Зайцев А.К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 2. Износ материалов. Классификация видов износа, методов и машин для лабораторного испытания материалов на износ машины и производственные на них исследования. Машгиз. М.-Л. - 1947. 220 с.
  • Зайцев А.К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 3. Износ машин. Износ машин и деталей и способы борьбы с их износом. Машгиз. М.-Л. - 1947. 164 с.
  • Зайцев А.К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 4. Смазка машин. Машгиз. М.-Л. - 1948. 279 с.
  • Archbutt L., Deeley R.M. Lubrication and Lubicants. London. - 1927
  • Арчбютт Л., Дилей Р.М. Трение, смазка и смазочные материалы. Руководство по теории и практике смазки и по методам испытания смазочных материалов. Госгоргеолнефтиздат. – Л. – 1934. – 703 с.
  • Арчбютт Л., Дилей Р.М. Трение, смазка и смазочные материалы - 2-е изд., перераб. и доп. - М.-Л.: Гостоптехиздат. - 1940. - 824 с.
  • Дерягин Б. В. Что такое трение? М.: Изд. АН СССР, 1963.
  • Крагельский И. В., Щедров В. С. Развитие науки о трении. Сухое трение. М.: Изд. АН СССР, 1956.
  • Фролов, К. В. (ред.) Современная трибология: Итоги и перспективы. ЛКИ, 2008.
  • Bowden F. P., Tabor D. The Friction and Lubrication of Solids. Oxford University Press, 2001.
  • Persson Bo N. J.: Sliding Friction. Physical Principles and Applications. Springer, 2002.
  • Popov V. L. Kontaktmechanik und Reibung. Ein Lehr- und Anwendungsbuch von der Nanotribologie bis zur numerischen Simulation, Springer, 2009.
  • Rabinowicz E. Friction and Wear of Materials. Wiley-Interscience, 1995.

Примечания[править | править вики-текст]