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?
| < |
Темы кодификатора ЕГЭ: силы в механике, сила трения, коэффициент трения скольжения.
Сила трения - это сила взаимодействия между соприкасающимися телами, препятствующая перемещению одного тела относительно другого. Сила трения всегда направлена вдоль поверхностей соприкасающихся тел.
В школьной физике рассматриваются два вида трения.
1.Сухое трение
. Оно возникает в зоне контакта поверхностей твёрдых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки.
2.Вязкое трение.
Оно возникает при движении твёрдого тела в жидкой или газообразной среде или при перемещении одного слоя среды относительно другого.
Сухое и вязкое трение имеют разную природу и отличаются по свойствам. Рассмотрим эти виды трения по отдельности.
Сухое трение.
Сухое трение может возникать даже при отсутствии относительного перемещения тел. Так, тяжёлый диван остаётся неподвижным при слабой попытке сдвинуть его с места: наша сила, приложенная к дивану, компенсируется силой трения, возникающей между диваном и полом. Сила трения, которая действует между поверхностями покоящихся тел и препятствует возникновению движения, называется силой трения покоя.
Почему вообще появляется сила трения покоя? Соприкасающиеся поверхности дивана и пола являются шероховатыми, они усеяны микроскопическими, незаметными глазу бугорками разных форм и размеров. Эти бугорки зацепляются друг за друга и не дают дивану начать движение. Сила трения покоя, таким образом, вызвана силами электромагнитного отталкивания молекул, возникающими при деформациях бугорков.
При плавном увеличении усилия диван всё ещё не поддаётся и стоит на месте - сила трения покоя возрастает вместе с увеличением внешнего воздействия, оставаясь равной по модулю приложенной силе. Это понятно: увеличиваются деформации бугорков и возрастают силы отталкивания их молекул.
Наконец, при определённой величине внешней силы диван сдвигается с места. Сила трения покоя достигает своего максимально возможного значения. Деформации бугорков оказываются столь велики, что бугорки не выдерживают и начинают разрушаться. Возникает скольжение.
Сила трения, которая действует между проскальзывающими поверхностями, называется силой трения скольжения. В процессе скольжения рвутся связи между молекулами в зацепляющихся бугорках поверхностей. При трении покоя таких разрывов нет.
Объяснение сухого трения в терминах бугорков является максимально простым и наглядным. Реальные механизмы трения куда сложнее, и их рассмотрение выходит за рамки элементарной физики.
Сила трения скольжения, приложенная к телу со стороны шероховатой поверхности, направлена противоположно скорости движения тела относительно этой поверхности. При изменении направления скорости меняется и направление силы трения. Зависимость силы трения от скорости - главное отличие силы трения от сил упругости и тяготения (величина которых зависит только от взаимного расположения тел, т. е. от их координат).
В простейшей модели сухого трения выполняются следующие законы. Они являются обобщением опытных фактов и носят приближённый характер.
1. Максимальная величина силы трения покоя равна силе трения скольжения.
2. Абсолютная величина силы трения скольжения прямо пропорциональна силе реакции опоры:
Коэффициент пропорциональности - называется коэффициентом трения.
3. Коэффициент трения не зависит от скорости движения тела по шероховатой поверхности.
4. Коэффициент трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.
Этих законов достаточно для решения задач.
Задача. На горизонтальной шероховатой поверхности лежит брусок массой кг. Коэффициент трения . К бруску приложена горизонтальная сила . Найти силу трения в двух случаях: 1) при 2) при .
Решение.Сделаем рисунок, расставим силы. Силу трения обозначаем (рис. 1 ).
 |
| Рис. 1. К задаче |
Запишем второй закон Ньютона:
(1)
Вдоль оси брусок не совершает движения, . Проектируя равенство (1) на ось , получим: , откуда .
Максимальная величина силы трения покоя (она же сила трения скольжения) равна
1) Сила меньше максимальной силы трения покоя. Брусок остаётся на месте, и сила трения будет силой трения покоя:
2) Сила больше максимальной силы трения покоя. Брусок начнёт скользить, и сила трения будет силой трения скольжения: .
Вязкое трение.
Сила сопротивления, возникающая при движении тела в вязкой среде (жидкости или газе), обладает совершенно иными свойствами.
Во-первых, отсутствует сила трения покоя. Например, человек может сдвинуть с места плавающий многотонный корабль, просто потянув за канат.
Во-вторых, сила сопротивления зависит от формы движущегося тела. Корпус подводной лодки, самолёта или ракеты имеет обтекаемую сигарообразную форму - для уменьшения силы сопротивления. Наоборот, при движении полусферического тела вогнутой стороной вперёд сила сопротивления очень велика (пример - парашют).
В третьих, абсолютная величина силы сопротивления существенно зависит от скорости. При малых скоростях движения сила сопротивления прямо пропорциональна скорости:
При больших скоростях сила сопротивления прямо пропорциональна квадрату скорости:
Например, при падении в воздухе зависимость силы сопротивления от квадрата скорости имеет место уже при скоростях около нескольких метров в секунду. Коэффициенты и зависят от формы и размеров тела, от физических свойств поверхности тела и вязкой среды.
Так, парашютист при затяжном прыжке не набирает скорость безгранично, а с определённого момента начинает падать с установившейся скоростью, при которой сила сопротивления становится равна силе тяжести:
Отсюда установившаяся скорость:
(2)
Задача.
Два металлических шарика, одинаковых по размеру и различных по массе, падают без начальной скорости с одной и той же большой высоты. Какой из шариков быстрее упадёт на землю - лёгкий или тяжёлый?
Решение.
Из формулы (2)
следует, что у тяжёлого шарика установившаяся скорость падения больше. Значит, он дольше будет набирать скорость и потому быстрее достигнет земли.
Действия тел друг на друга, создающие ускорения, называют силами: все силы можно разделить на два вида: силы, действующие при непосредственном соприкосновении и силы, действующие независимо от того соприкасаются тела или нет, силы которые могут действовать на расстоянии. Сила трения возникает при соприкосновении тел и основная черта силы трения состоит в том, что она препятствует движению соприкасающихся тел или возникновению этого движения. Различают силы трения покоя, скольжения и качения.
Где мы встречаемся с силой трения
В повседневной жизни с силой трения мы сталкиваемся ежедневно. Например, сила трения помогает нам удерживать в руках предметы и ходить по земной поверхность. В зимнее время тротуары посыпают песком для увеличения той самой силы трения, и предотвращения падений на скользкий снег. Приведем еще несколько примеров на эту тему:
- Лыжи, санки и сноуборды, конечно, прекрасно скользят по снегу спускаясь с горы, но остановятся через некоторое время на горизонтальной поверхности;
- Автомобили и мотоциклы прекращают движение после остановки двигателя без помощи тормозов — тормозит сила трения. Правда, тормозной путь будет больше;
- Гвозди и клинья обеспечивают сцепление за счет силы трения;
- Узлы на веревках, тросах и шнурках не развязываются благодаря трению;
- Предметы устойчиво стоят на столах и не падают от дуновения ветерка по той же причине;
- Петли скрипящих дверей смазывают маслом, чтобы уменьшить силу трения;
- Музыкальные инструменты (струнные и щипковые) звучат благодаря трению.
Рис. 1. Примеры проявления силы трения.
Дадим общее определение силы трения:
Сила трения — это сила, возникающая при контакте двух тел и препятствующая их относительному движению. Сила трения направлена против движения.
Сила трения может быть как полезной, и тогда ее действие стараются усилить, так и нежелательной. В последнем случае стараются всевозможными методами снизить трение. Как правило, для этого применяются различного рода смазки в виде масел. Например, эффективность двигателя внутреннего сгорания в наибольшей степени зависит от трения поршней о стенки цилиндров. Производители масел стараются снизить трение и увеличить срок службы двигателя.
Причины возникновения силы трения
Первая причина — не идеальность поверхностей. Казалось бы гладкие на вид и на ощупь поверхности всегда имеют какое то количество бугорков, шероховатостей и царапин, которые мы не можем разглядеть. При движении тела (или при попытке движения) эти дефекты цепляются друг за друга, что в сумме дает некоторую силу, препятствующую движению.
Рис. 2. Граница раздела трущихся поверхностей: царапины, бугры, дефекты.
Вторая причина — сила трения возникает благодаря существованию сил взаимодействия молекул и атомов соприкасающихся тел. Взаимодействие возникает между электрическими зарядами, которые имеют частицы (электроны, протоны), входящие в состав атомов.
Сила трения покоя
Существует или нет сила трения, когда тела находятся в состоянии покоя? Да, существует. Например, если нам понадобится дома передвинуть фортепиано или что-то из мебели, то для этого придется приложить ощутимое усилие, которое только достигнув некой стартовой величины, позволит начать движение. Еще один пример: тело, лежащее на наклонной плоскости неподвижно, удерживается силой трения, хотя на него действует сила тяжести. В обоих случаях действующая на тела сила уравновешивается силой трения. Сила, возникающая при отсутствии относительного движения тел, называется силой трения покоя.
Рис. 3. Тело на наклонной плоскости, удерживается силой трения.
Сила трения покоя F тр равна по модулю внешней силе F вн , направленной по касательной к поверхности соприкосновения тел, и противоположна ей по направлению:
$ Fтр = – Fвн $ (1).
Равенство (1) называется формулой силы трения покоя.
Силу трения покоя тела, лежащего на горизонтальной поверхности можно измерить с помощью динамометра, зацепив его за выступ (крюк) на теле. Натягивая постепенно пружину динамометра мы достигнем некоторого значения, когда тело сдвинется с места, а после этого начнет двигаться равномерно. Это и будет величина силы трения покоя.
На тело в процессе равномерного движения будет действовать уже сила трения скольжения. Оказывается, что сила трения скольжения может быть меньше, чем сила трения покоя. Это происходит потому, что коэффициент трения скольжения зависит от скорости скольжения одного тела относительно другого.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали по какой причине вообще возникает сила трения. Сила трения покоя существует даже при отсутствии перемещения тел относительно друг друга. Формула (1) показывает, что сила трения равна внешней силе по модулю, и направлена в противоположную сторону.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.3 . Всего получено оценок: 274.
Сила трения
Виды
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 (например, при деформации) контактирующих тел. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного относительного движения.
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 , когда решающее значение имеет внутреннее трение в смазывающем материале. Возникает при увеличении относительных скоростей перемещения.
В связи со сложностью физико-химических процессов, протекающих в зоне фрикционного взаимодействия, процессы трения принципиально не поддаются описанию с помощью методов классической механики .
Закон Амонтона - Кулона
Основной характеристикой трения является коэффициент трения , который определяется материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел.
В простейших случаях сила трения и нормальная нагрузка (или сила нормальной реакции) связаны неравенством
обращающимся в равенство только при наличии относительного движения. Это соотношение называется законом Амонтона - Кулона .
Закон Амонтона - Кулона с учетом адгезии
Для большинства пар материалов значение коэффициента трения не превышает 1 и находится в диапазоне 0,1 - 0,5. Если коэффициент трения превышает 1 , это означает, что между контактирующими телами имеется сила адгезии и формула расчета коэффициента трения меняется на
.Прикладное значение
Трение в механизмах и машинах
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 , 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
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.
См. также
Журналы
- Трение, Износ, Смазка , журнал о трении.
- Трение и Износ , журнал о трении издаётся Национальной Академией Наук Беларуси с 1980 г.
- Journal of Tribology , международный журнал о трении.
- Wear , международный журнал о трении и износе.
- Таблицы коэффициентов трения , численные значения коэффициентов трения.
Литература
- 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.
Ссылки
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Смотреть что такое "Трение" в других словарях:
Трение - – процесс, возникающий на поверхности соприкосновения тел, как находящихся в состоянии покоя, так и взаимного перемещения. … … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Современная энциклопедия
Трение - внешнее, механическое сопротивление, возникающее при относительном перемещении двух соприкасающихся тел в плоскости их касания. Сила сопротивления направлена противоположно относительному перемещению тел и называется силой трения. Трение… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
ТРЕНИЕ, противодействие перемещению соприкасающихся тел, направленное вдоль плоскости соприкосновения, а также противодействие жидкостям или газам, текущим по поверхности. Трение прямо пропорционально силе, сдавливающей поверхности, и зависит от… … Научно-технический энциклопедический словарь
ТРЕНИЕ, трения, ср. 1. только ед. Состояние трущихся один о другой предметов, движение одного предмета по тесно соприкасающейся с ним поверхности другого. Машины изнашиваются от трения одних частей о другие. || Сопротивление движению, возникающее … Толковый словарь Ушакова
ТРЕНИЕ, см. тереть. Толковый словарь Даля. В.И. Даль. 1863 1866 … Толковый словарь Даля
ТРЕНИЕ, я, ср. 1. Сила, препятствующая движению одного тела по поверхности другого (спец.). Коэффициент трения. Кинематическое т. (между движущимися телами). Т. покоя (между неподвижными телами). 2. Движение предмета по тесно соприкасающейся с… … Толковый словарь Ожегова
В аэро и гидродинамике касательные составляющие вектора поверхностных сил. Если в аэро и гидродинамических задачах движение жидкости или газа исследуется на основе Навье Стокса уравнений, то действие сил трения учитывается во всём поле течения, и … Энциклопедия техники