Классификация сил трения

При перемещении соприкасающихся тел или их частей друг относительно друга появляются силы трения. Различают трение внешнее и внутреннее. Под внутренним трением (или вязкостью) понимают трение, возникающее при перемещении частей одного и того же тела (обычно это движение слоёв жидкости или газа). К внутреннему трению относится также и трение, возникающее при движении твердого тела в жидкости или газе. В этом случае слои среды, прилегающие к поверхности, вовлекаются этим телом в движение с той же скоростью, которую имеет тело, и движущееся тело тормозится прилегающими слоями среды.

Трение, возникающее при соприкосновении поверхностей двух различных тел при их относительном движении или при попытке вызвать это движение, называется внешним трением (сухое трение). Строго говоря, внешнее трение наблюдается только для твердых тел без смазочной прослойки, так как только в этом случае имеется непосредственный контакт двух тел.

Внешнее трение в свою очередь подразделяется на: трение покоя, возникающее до начала движения; трение скольжения, возникающее при движении поверхностей двух соприкасающихся тел; трение качения, возникающее, когда одно тело катится по поверхности другого.

Силы внешнего трения возникают по нескольким причинам. Первой причиной возникновения сил трения является шероховатость поверхности тел. При соприкосновении тел микроскопические выступы на поверхности одного тела зацепляются за такие же выступы другого тела. При этом, если одно из тел движется по поверхности другого, выступы срезаются, для чего необходимо действие некоторой силы. Второй причиной является то, что в точках соприкосновения поверхностей проявляется действие межмолекулярных сил, между молекулами находящимися вблизи поверхности соприкосновения. В частности, вступающие в контакт неровности поверхности образуют “мостики сварки”, и сила трения обусловлена сопротивлением разрушению этих мостиков. Третьей причиной является появление несимметричных деформаций (см. силу трения качения).

В настоящее время разработан ряд теорий трения, в основу каждой из которых положено то или иное явление: адгезионная теория трения, молекулярная теория трения, молекулярно-механическая теория трения.

Трение покоя.

О существовании сил трения покоя, действующих на соприкасающиеся тела при их относительном покое, свидетельствует такой опытный факт, что для приведения в движение одного из соприкасающихся твердых тел к нему необходимо приложить в направлении движения внешнюю силу, превышающую некоторую определенную величину, характерную для данных соприкасающихся тел. Если внешняя сила недостаточно велика, то, несмотря на её действие, тело остается в покое, так как эта сила уравновесится силой трения покоя.

Пусть некоторое тело покоится на горизонтальной поверхности, и нему приложена внешняя сила F (рис.1), на него также действуют сила тяжести mg и сила реакции опоры N. Так как тело находится в покое, то согласно I закону Ньютона, векторная сумма всех внешних сил равна нулю, т.е:

И взяв проекции этих сил на направление возможного перемещения (вдоль плоскости соприкосновения, ось x), получим:

.

Таким образом, сила трения покоя – неоднозначная величина: с изменением внешней силы F соответственно изменяется и сила трения покоя. Если на тело внешняя сила F не действует, то сила трения f тр также равна нулю. Но сила трения покоя может изменять свою величину лишь до некоторого максимального значения f _{тр_max}, и согласно опытному закону Амонтона и Кулона:

где m’ – коэффициент трения покоя. Для рассмотренного на рисунке 1 примера: .

Трение скольжения

Когда горизонтальная составляющая внешней силы F окажется по величине больше f _{тр_max}, то неизбежно возникает скольжение данного тела по поверхности соприкасающегося с ним другого тела. Опыт показывает, что силы трения скольжения зависят от относительной скорости скольжения (Рис.2). Вначале с возрастанием относительной скорости u величина сил трения скольжения f _тр несколько уменьшается, а затем при дальнейшем возрастании u, величина сил трения так же медленно начинает возрастать. Возрастание величины сил трения с уменьшением относительной скорости скольжения, после того как она уже стала достаточно малой, проявляется, например, при торможении поездов, трамваев и т.д., поэтому для более плавного уменьшения скорости тел торможение производится с несколькими перерывами. Однако величина сил трения скольжения изменяется с изменением относительной скорости настолько слабо, что часто её считают не зависящей от относительной скорости (рис.2., прерывистая линия).

Величина сил внешнего трения как при скольжении, так и при покое зависит от материалов тел, состояния их соприкасающихся поверхностей (от их шероховатости), а также от величины силы реакции N одного из тел на другое. Влияние указанных факторов на величины сил внешнего трения экспериментально исследовали Амонтон и Кулон. Они установили закон выполняющийся для сил трения скольжения и для максимальной силы трения покоя. Суть этого закона: величина силы трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей и пропорциональна силе реакции опоры:

где m – коэффициент трения скольжения, величина безразмерная, зависит от материалов соприкасающихся тел, состояния их поверхностей, величины относительной скорости. В настоящее время при соприкосновении достаточно гладких поверхностей необходимо учитывать вклад сил межмолекулярного взаимодействия.

Трение качения

Опыт свидетельствует также о существовании сил трения, действующих на тела при их качении по поверхности других тел. Так если цилиндрическое тело катится по горизонтальной поверхности и предоставлено самому себе, то с течением времени постепенно замедляется как его поступательное движение, так и вращение вокруг своей оси. Качение тел замедляется благодаря действию на них сил трения качения со стороны поверхности, по которым они движутся. Сила трения качения возникает из-за деформации поверхности, по которой катится тело, несимметричной относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось цилиндра.

Рассмотрим цилиндрическое тело, которое катится по горизонтальной поверхности с постоянной скоростью поступательного движения центра масс u с помощью силы F (рис.3).

На рисунке 3: О – ось цилиндра, R – радиус цилиндра, сила реакции опоры N разложена на две составляющие F _n, f _тр т.е. . Величина силы F подбирается такой, чтобы качение происходило равномерно, т.е. чтобы скорость поступательного движения оси цилиндра u, а также скорость его вращения вокруг своей оси оставались постоянными. Тогда направление силы реакции опоры N должно проходить через ось цилиндра, так как только в таком случае угловая скорость вращения цилиндра окажется неизменной.

Поскольку, скорость движения оси цилиндра u =const, то согласно первому закону Ньютона:

,

Где sin a = k / R, к – расстояние от вертикального диаметра цилиндра до точки приложения силы реакции N. Тогда для силы трения качения получаем выражение

Величину k называют коэффициентом трения качения. Коэффициент трения качения имеет размерность длины.

Сила трения качения меньше силы трения скольжения. Поэтому для уменьшения трения в различных механизмах используют подшипники качения. Для уменьшения силы трения между трущимися поверхностями вводят смазку. В этом случае, как показал русский инженер Н.П.Петров, мы имеем дело с внутренним трением скольжения, происходящим лишь между слоями жидкости. Для уменьшения силы трения используют и то обстоятельство, что коэффициент трения уменьшается с увеличением твердости. Поэтому, например, при изготовлении узлов часовых механизмов, прецизионных приборов и т.д., применяют такие материалы, как агат, рубин и др.

В ряде случаев, например, при торможении, необходимо увеличить силу трения. Для этого трущиеся детали изготавливают из одного материала, поскольку, как показывает опыт, коэффициент трения в данном случае больше, чем при наличии двух различных материалов.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: