Виды трения и износов

К атегория:

Техническое обслуживание дорожных машин

Виды трения и износов

В зависимости от кинематических признаков относительного перемещения тел различают следующие виды трения: трение скольжения, трение качения и трение верчения.

Наименее изученным является трение верчения, поэтому при решении практических задач этот род трения стараются свести к трению скольжения или качения.

При относительном перемещении деформирующихся тел касание между ними происходит не в точках, а в зонах, называемых площадками контакта. На этих площадках контакта могут происходить весьма разнообразные физико-механические явления, например: упругие и пластические деформации частиц, молекулярное сцепление частиц, адсорбция тонких слоев газа, дисперсность коллоидальных частиц и др. Некоторые ученые при изучении этого вопроса насчитали более 20 таких явлений, причем, многие из них оказались во взаимной связи. Количественные и качественные соотношения между этими явлениями, происходящими на упругих площадках двух соприкасающихся (трущихся) тел, в значительной степени зависят от наличия между ними жидкостной или газообразной прослойки - смазки.

Поэтому в зависимости от наличия или отсутствия смазки, а также характера трущихся поверхностей различают:
а) чистое трение, возникающее на трущихся поверхностях при полном отсутствии на них посторонних примесей в виде жидкостной или газовой прослойки. Практически чистое трение очень трудно осуществимо; оно может быть реализовано только в вакууме;
б) сухое трение появляется при отсутствии смазки и загрязнений между трущимися поверхностями;
в) граничное трение, при котором трущиеся поверхности разделены слоем смазки толщиной не более 0,1 мк. Граничная пленка обладает особыми свойствами и не подчиняется общим законам гидродинамики вязких жидкостей; поэтому ее не следует смешивать с масляной пленкой нормальных размеров;
г) жидкостное трение, при котором трущиеся поверхности полностью разделены слоем жидкости необходимого размера, не допускающим контакта между трущимися телами и воспринимающим всю нагрузку;
д) полусухое трение, когда при наличии между трущимися поверхностями смазочного слоя отдельные выступы поверхностей приходят в непосредственное соприкосновение (т. е. одновременно граничное и сухое трения);
е) полужидкостное трение - такое, при котором большая часть нагрузки передается масляной пленкой, а меньшая часть воспринимается непосредственно контактом трущихся поверхностей (т. е. одновременно жидкостное и граничное или жидкостное и сухое трения).

В технике чаще всего встречаются одновременно полусухое и полужидкостное трения, из которых первое обычно принимают за сухое, а второе за жидкостное.
Напомним основные законы и математические зависимости сухого и жидкостного трений.

Основными положениями закона сухого трения скольжения являются:
1. Сила трения скольжения на плоскости прямо пропорциональна нормальному давлению в определенном диапазоне скоростей и и нагрузок.
2. Направление силы трения скольжения противоположно относительной скорости трущихся тел.
3. Точное положение точки приложения силы трения скольжения неизвестно.
4. Трение зависит от материала и состояния трущихся поверхностей.
5. С увеличением скорости движения сила трения в большинстве случаев уменьшается, приближаясь к некоторому постоянному значению.
6. С возрастанием удельного давления сила трения в большинстве случаев увеличивается.

Законы сухого трения качения в первом приближении были выведены Кулоном.

Основными положениями этого закона являются:
1. Сила трения качения прямо пропорциональна нормальному давлению и обратно пропорциональна радиусу катка
где N - нормальное давление, кГ;
R - радиус катка, см;
X - коэффициент трения качения, см.
2. Сила трения качения направлена в противоположную сторону относительно скорости.
3. Точное положение точки приложения силы трения качения неизвестно.

При жидкостном трении отсутствует непосредственное соприкосновение между поверхностями, движущимися относительно друг друга, так как между ними находится слой жидкости. При относительном движении поверхностей в этом случае происходит сдвиг отдельных слоев жидкости относительно друг друга и поэтому трение в жидкостном слое сводится к вязкому сдвигу. Основоположником гидродинамической теории смазки является выдающийся русский ученый Н. П. Петров. Основная сущность этой теории сводится к следующему.

Основное значение при жидкостном трении имеет коэффициент т), т. е. коэффициент внутреннего трения или коэффициент абсолютной вязкости. Поэтому наименьшая толщина жидкостного слоя должна быть больше неровностей двух соприкасающихся поверхностей А я В, иначе между ними будет непосредственный контакт.

Из гидродинамической теории смазки следует, что для сохранения нормальной толщины масляного слоя трущиеся поверхности могут и не быть строго параллельны, а шейки вала и подшипника могут не быть концентричными. Такой вывод можно сделать на основании свойств клиновидного слоя смазки, заключающихся в cледующем.

При клинообразной форме слоя масла между двумя скользящими поверхностями А и В масло прилипает к этим поверхностям вследствие своей маслянистости. Такое явление приводит к тому, что скорость протекания масла значительно снижается, а давление внутри масляного слоя соответственно повышается. Это давление, как показывают опытные данные, в самом узком месте клиновидной формы достигает 200 кГ/см2 и вызывает большую подъемную силу, благодаря чему тело А всплывает, обеспечивая необходимую толщину масляного слоя, разъединяющего поверхности А и В.

Рис. 1. Схемы жидкостного трения

Исходя из свойств клиновидной формы слоя смазки, можно считать, что при пуске машины, когда вал начнет вращаться, клиновидный слой смазки будет отсутствовать, а следовательно, будет отсутствовать и условие жидкостной смазки, т. е. возникнет полусухое или полужидкостное трение.

Еще в 1883 г. Н. П. Петровым были даны следующие основные положения жидкостного трения.
1. Смазочная жидкость, находящаяся между трущимися поверхностями, должна удерживаться в зазорах.
2. В слое смазки при относительном скольжении смазываемых поверхностей должно возникать и поддерживаться внутреннее давление, уравновешивающее внешнюю нагрузку, прижимающую трущиеся поверхности друг к другу.
3. Смазочная жидкость должна полностью разделять трущиеся поверхности.
4. Слой жидкости, находящийся между трущимися поверхностями, должен иметь толщину не менее определенного минимального предела.

Трение и износ тесно связаны между собой. Износ есть результат работы трения. По утверждению ряда ученых, работающих в этой области, до настоящего времени общепризнанного определения износа трением в технической литературе еще нет. По определению проф. М. М. Хрущова, износ деталей машин есть нежелательное постепенное изменение их размеров в процессе работы, которое возникает под действием усилий на их трущиеся поверхности.

Износы, появляющиеся при эксплуатации машин, можно подразделить на естественные и аварийные.

Естественные износы деталей машин происходят в результате действия сил трения и определяются условиями работы деталей, качеством материала, характером обработки и др. Эти износы являются неизбежными и появляются в результате относительно длительного периода работы машины.

Аварийные износы являются результатом быстро нарастающего естественного износа и нарушения нормального режима работы машины, нарушения правил технического ухода, эксплуатации и ремонта машин. Эти износы почти всегда характеризуются резкими деформациями деталей, разрушением отдельных узлов, агрегатов и всей машины.

Износы машин, встречающиеся на практике, весьма разнообразны по форме проявления, по причинам возникновения, характеру нарастания и многим другим признакам.

Наиболее распространенным видом естественного износа является механический износ.

Проф. А. К. Зайцев, учитывая природу явлений и процессов, происходящих при износе, дает следующую классификацию механического износа: I класс износа - чисто механический; II класс - физико-механический; III класс - химико-механический; IV класс - комплексный.

Чисто механический износ (эрозия металла) сопровождается изменением формы и объема трущихся деталей без существенных проявлений химических процессов. Этот вид износа является результатом работы сил трения, которые возникают при движении поверхностей деталей относительно друг друга.

В зависимости от рода трения чисто механический износ разделяется на три основных вида: износ от трения скольжения, от трения качения и сложный износ, который проявляется при одновременном действии трения скольжения и трения качения.

Износ от трения скольжения имеет наибольшее распространение в узлах и агрегатах дорожных машин; возникает он, например, на поверхностях шеек валов и подшипников, поршневых колец и цилиндров, стержней клапанов и направляющих втулок и т. д.

Наиболее наглядным износом от трения качения является износ в шариковых и роликовых подшипниках, которые имеют широкое распространение в дорожных машинах.

Характерным примером сложного износа в дорожных машинах является износ, возникающий при работе зубьев шестерен.

Физико-механический износ происходит в тех случаях, когда механический износ сопровождается физическими изменениями трущихся деталей. Эти изменения тесно связаны с внутренними процессами, происходящими в деталях, которые обычно приводят к изменению их твердости, жесткости, хрупкости и к появлению наклепа. Примером такого износа является износ щек камнедробилок.

Химико-механический износ (коррозия металла) характеризуется тем, что механический износ сопровождается химическими процессами. В качестве примера такого износа можно указать коррозию, при наличии которой значительно усиливается и ускоряется механический износ. Явление коррозии имеет существенное значение в износе деталей дорожных машин и двигателей.

Коррозия возникает в результате воздействия органических кислот, присутствующих в смазке или образующихся при сгорании топлива, а также в результате действия газов при высоких температурах, паров воды и т. д.

При работе дорожных машин возникают следующие виды коррозии: атмосферная, почвенная, электрохимическая, жидкостная и коррозия при высоких температурах.

Причиной атмосферной и почвенной коррозии является влажность воздуха или почвы, особенно при наличии углекислоты, аммиака и др.

Электрохимическая коррозия происходит, если при контакте двух различных металлов образуется гальваническая пара, т. е. один металл с более отрицательным потенциалом служит анодом, а другой - катодом. Металл, имеющий более отрицательный потенциал, будет, как правило, коррозировать.

Жидкостная коррозия появляется в пароводяных системах из- за присутствия в воде воздуха, обогащенного кислородом. Одновременно в воде содержатся минеральные вещества, дающие растворы минеральных солей, кислот и щелочей. Такие водные растворы представляют собой электролиты, которые, взаимодействуя с металлом, вызывают активную коррозию.

Коррозия при высоких температурах вызывается нагревом металла и воздействием на него тепла. Активность коррозии в этом случае во многом зависит от качества металла и способности его окисляться при высоких температурах, например коррозия, наблюдающаяся в верхней части цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Из исследования процесса сгорания топлива в двигателях следует, что частички продуктов неполного сгорания, сильно окисленные при внезапном падении температуры, прилипают к стенкам цилиндров, и кислород, содержащийся в них, воздействует на металл.

Комплексный износ возникает тогда, когда механический износ сопровождается одновременно химическим и физическим процессами. К комплексному износу относится такой износ выпускных клапанов двигателя, когда под действием высоких температур происходит частичное (поверхностное) сгорание металла, изменяются его структура и механические свойства, а химический процесс, происходящий от воздействия газов, вызывает коррозию металла. Клапан настолько теряет свои качества, что в определенный момент его головка совершенно перегорает, а иногда и отрывается.

Абразивный износ является разновидностью чисто механического износа, который обусловливается присутствием в сопряженных трущихся деталях абразивных частиц.

При работе дорожных машин отдельные детали и сопряжения имеют непосредственное соприкосновение с грунтом, например ножи автогрейдеров, бульдозеров и скреперов, детали гусеничного хода и др., работающие в самых тяжелых условиях. В этих случаях абразивные частицы имеют решающее значение в отношении износа.

При шлифовании цилиндров и клапанов при недостаточной их очистке после обработки некоторая часть абразивной пыли остается в цилиндрах двигателя.
Основным проводником попадания абразивных материалов в цилиндры двигателя является его впускная система. При наличии у двигателя даже наиболее усовершенствованного воздухоочистителя некоторое количество пыли в него все же проникает.

Абразивная пыль, попадающая в цилиндры двигателя, смешивается с маслом и образует подобие притирочной пасты, которая значительно усиливает износ деталей (поршней, колец, клапанов и т. п.).

Абразивный износ является наиболее распространенным среди деталей дорожных машин, работающих с песком, щебнем, бетоном, шлаком и т. п. Износ металла в этом случае происходит под воздействием зерен различных абразивных материалов, которые вдавливаются в основу металла детали и образуют в нем канавку (рис. 2). Выдавленный металл в виде буртиков располагается по обеим сторонам этой канавки. Так как структура металла в значительной части неоднородна, то в вытесненном металле появляются трещины, которые ослабляют его и создают возможность абразивным зернам постепенно деформировать и разрушать его. На дне же полученной канавки происходит наклеп, благодаря чему твердость металла значительно повышается.

Рис. 2. След от абразивного зерна на трущейся поверхности

В последние годы абразивному изнашиванию было уделено много внимания, поскольку износостойкость деталей этому виду износа имеет существенное значение для продления срока службы машин и их надежности в работе. Заслуживают внимания исследования в области абразивного изнашивания, проведенные канд. техн. наук М. М. Тененбаум. Вызывает несомненный интерес его точка зрения в вопросе активного абразивного действия твердых частиц абразива в контакте трущихся деталей.

Тененбаум указывает, что одно и то же количество абразивного вещества в контакте твердых тел в зависимости от различных факторов вызывает по объему различные разрушения поверхности этих тел. Например, активность абразивного действия определенного количества зерен кварцевого песка в контакте двух тел зависит во многом от характера взаимодействия этих зерен с двумя телами. Если абразивное зерно, не разрушаясь, вдавливается в поверхностный слой детали, то происходит вроде частичной изоляции зерна в контакте сопряженных деталей и их шаржирование. Это шаржирование абразивными частицами поверхностных слоев сопряженных деталей увеличивает износ их по сравнению с износом деталей в сопряжении которых отсутствуют абразивные частицы.

Как было отмечено при исследованиях, наибольший износ получается в том случае, когда абразивные зерна, находящиеся в контакте двух сопряженных деталей, раздробляются. Энергия, необходимая для раздробления зерен абразива, передается через небольшие по площади контактные участки поверхностного слоя, что вызывает разрушение определенных объемов материала деталей. Вновь образованные частицы кварцевого абразива будут иметь свою определенную геометрию, которая будет содействовать высокой концентрации контактных напряжений в поверхностных слоях трущихся деталей, что в свою очередь вызовет повышенное изнашивание поверхностей.

Таким образом при раздроблении в контакте одного и того же количества абразивных зерен, износ сопряженных деталей в определенных условиях будет значительно больше, так как абразивное действие при этом будет сопровождаться более высокой активностью. Только этим в основном и можно объяснить, что твердые бронзовые подшипники изнашивают шейку вала больше, чем баббитовые в условиях одинаковой загрязненности смазки.

В литературных источниках очень часто встречаются мнения, что сопряженная пара деталей из стали и капрона при абразивном износе имеет более высокую износостойкость, чем сопряжения металлических деталей. Это объясняется тем, что капрон частично поглощает абразивные зерна и этим снижает активность абразивного изнашивания.

Вследствие этих явлений можно сделать вывод, что действие абразивных частиц, находящихся в сопряжении деталей, может быть разным в зависимости от состояния этих частиц и материала сопряженных деталей. Повысить износостойкость сопряженных деталей абразивному износу можно путем подбора деталей с повышенной износостойкостью или подбирать детали из материалов сравнительно невысокой износостойкости, но способных поглощать абразивные частицы.

Институт строительной механики Академии наук Украинской ССР провел большую работу по изучению износов деталей автомобилей, тракторов и сельскохозяйственных машин. В результате работы этого института проф. Б. И. Костецким были установлены принципиально различные виды износа деталей, подчиняющиеся закономерности определенного процесса.

Б. И. Костецкий дает следующую классификацию видов износа деталей машин: износ схватыванием I рода; износ схватыванием II рода, или тепловой; окислительный износ; абразивный и оспо- видный износы.

В связи с тем что каждая деталь имеет ведущий вид износа, она будет иметь наиболее изнашиваемую поверхность обязательно там, где этот вид износа проявляется. Отчетливо выраженный вид износа обычно определяет износостойкость детали, характер и скорость его износа. Например, ведущий вид износа тяжело нагруженных зубьев шестерни - осповидный, а сопутствующие виды износа - тепловой и окислительный. Осповидный износ определяет износостойкость зубьев шестерни и появляется в зоне начальной окружности зуба, два же других вида износа - тепловой (на ножке зуба) и окислительный (на головке зуба шестерни) - не имеют решающего значения в отношении общей износостойкости зубьев шестерни при определенных условиях работы.

К атегория: - Техническое обслуживание дорожных машин

Цель: закрепить знания о видах трения и изнашивания.

Задание:.

1. Изучить теоретический материал.
2. Заполнить таблицу 1.
3. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Факторы, определяющие интенсивность изнашивания?

2. Какие основные пути снижения интенсивности механического истираниявы знаете?

3. Какая сила трения больше трение качения или скольжения?

Таблица 1

Теоретическая часть .

Трение - основная причина изнашивания деталей машин. Про­блемы трения, изнашивания и смазывания изучает наука трибология, базирующаяся на фундаментальных законах физики, химии, механики сплошных сред, термодинамики и материаловедения.

Различают трение:

Скольжения,

Качения,

Сила трения качения примерно в 10 раз меньше силы трения скольжения.

Виды трения . В процессе работы машин поверхности трения деталей находятся в различных условиях. Взависимости от того, есть или нет смазка между трущимися поверхностями, различают следующие виды трения.

Трение без смазки происходит при отсутствии на поверхностях тренияобоих твердых тел смазочного материала всех видов.

Граничное трение двух твердых тел возникает при тонком слое смазки на поверхностях трения, не превышающем высоты шероховатостей соприкасающихся поверхностей.

Жидкостное трение возникает между двумя телами, полностью разделенными слоем жидкости (смазки). Отсутствие контакта между поверхностями предохраняет их от разрушения.

Изнашивание - процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела при трении и (или) увеличении его оста­точной деформации, проявляющейся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

Виды изнашивания . В условиях всех видов трения происходит разрушение трущихся поверхностей, т. е., поверхности изнашиваются.

Классификация видов изнашивания

Согласно ГОСТ 23.002 – 78 различают 3 основных вида изнашивания:

1) механическое (абразивное, гидро- и газоабразивное, эрозионное, гидро- и газоэрозионное, кавитационное, усталостное, при фреттинге, при заедании);

2) корозионно-механическое (окислительное, фреттинг-коррозия);

3) при действии электрического тока (электроэрозионное).

Механическое изнашивание возникает в результате воздействия твердых частиц на трущиеся поверхности. В эту группу следует отнести такиевиды изнашивания, как абразивное, гидро- и газоабразивное, усталостное, кавитационное, эрозионное.

Абразивное изнашивание - изнашивание в результате механическихвоздействий посредством режущего и царапающего действия твердых телили частиц при наличии относительной скорости перемещения.

Гидро- и газоабразивное изнашивание появляется в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости или газа.

Усталостное изнашивание вызывает изменение поверхности тренияили отдельных участков в результате повторного деформирования микрообъемов материала, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц.

Кавитационное изнашивание поверхности происходит при относительном увеличении скорости движения твердого тела в жидкости, т. е. в условиях гидродинамической кавитации - нарушения сплошности внутрижидкости.

Эрозионное изнашивание возникает в результате воздействия потокажидкости или газа.

Молекулярно-механическое изнашивание получается в результатеодновременного механического воздействия и воздействия молекулярныхили атомных сил.

Коррозионно-механическое изнашивание есть изнашивание при трении металла, вступившего в химическое взаимодействие со средой.

К факторам, определяющим интенсивность изнашивания относятся:

Род трения (скольжения, качения, качения с проскальзыванием);

Вид трения (сухое, граничное, гидродинамическое);

Среда (воздух, вода, газ, почва и т.п.);

Вид контакта пар трения (точка, линия, плоскость, цилиндр, сфера);

Характер движения (равномерное, непрерывное и т.д.);

Вид движения (вращательное, поступательное, возвратно-поступательное);

Характер нагрузки (постоянная, неустановившаяся, знакопеременная);

Величина нагрузки;

Скорость перемещения трущихся поверхностей;

Температурные условия.

Основные пути снижения интенсивности механического истирания:

1) Конструкционные :

Обеспечение рациональной жесткости и податливости деталей (плавающие детали, рессоры, пружины, прокладки и т.д.).

Выбор рациональных пар трения:

Сочетание твердого материала с мягким (устраняется заедание) – прямые [закаленный подвижный

Суппорт – сырая неподвижная станина ]и обратные [хромированная гильза – чугунное незакаленное кольцо, закаленный вал – баббитовый вкладыш] пары;

Сочетание твердого материала с твердым (высокая износостойкость);

Исключение сочетания одноименных материалов и мягкого с мягким;

Применение пористых, порошковых антифрикционных материалов.

Замена пар трения скольжения на качение;

Создание условий для жидкостного трения.

2) Технологические :

Обеспечение оптимальной шероховатости,

Соблюдение точности изготовления и упрочнение поверхностей трения.

3) Эксплуатационные :

Разгрузка рабочих поверхностей;

Соблюдение правил эксплуатации, ТО и ремонта машин.

С трением мы сталкиваемся, когда перемещаем относительно друг друга какие-нибудь тела (кинетическое трение) либо стараемся привести в движение тела, находящиеся в состоянии покоя (статическое трение). Трение возникает, когда два тела, перемещающиеся относительно друг друга, соприкасаются своими внешними поверхностями (внешнее трение) или когда элементы структуры тела (атомы, молекулы) перемещаются относительнодруг друга (внутреннее трение). Внутреннее трение может иметь место в жидкостях, газах и твер­дых телах. Классификация видов трения представлена в табл. 2.5. При трении кроме механических имеют место тепловые, электрические, магнитные и другие явления. Таблица 2.5

Кинетическое трение (трение движения) – возникает при перемещении друг относительно друга каких-либо тел.

Статическое трение (трение покоя) – возникает, когда неподвижное тело начинает движение из состояния покоя.

Внешнее трение – возникает, когда два тела, перемещающиеся относительно друг друга, соприкасаются своими внешними поверхностями.

Внутреннее трение – когда элементы структуры тела (атомы, молекулы) перемещаются относительно друг друга. Имеет место в твердых телах, жидкостях и газах.

Трение без смазочного материала (сухое трение) – трение двух тел при отсутствии на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида.

Трение со смазочным материалом (жидкостное трение) – трение двух тел при наличии на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида.

Трение скольжения – трение движения двух твердых тел, при котором скорости тел в точках контакта различны по величине и направлению, или по величине или по направлению (рис. 2.1).

Трение качения – трение движения двух твердых тел, при котором их скорости в точках касания одинаковы по величине и направлению (рис.2.2) Рис. 2.2

Граничное трение – трение при наличии пленки граничной смазки.

Анализируя выше приведенные определения различных видов трения можно сформулировать общее определение процесса трения.

Смазочный материал – материал вводимый на поверхность трения для снижения силы трения (F ТР) и интенсивности изнашивания (масло – поверхностно активное вещество невозможно полностью выдавить При низких температурах происходит сильный износ из-за кристаллизации масла).

При соприкосновении движущихся (или приходящих в движение) тел с другими телами, а также с частицами вещества окружающей среды возникают силы, препятствующие такому движению. Эти силы называют силами трения . Действие сил трения всегда сопровождается превращением механической энергии во внутреннюю и вызывает нагревание тел и окружающей их среды.

Существует внешнее и внутреннее трение (иначе называемое вязкостью ). Внешним называют такой вид трения, при котором в местах соприкосновения твердых тел возникают силы, затрудняющие взаимное перемещение тел и направленные по касательной к их поверхностям.

Внутренним трением (вязкостью) называется вид трения, состоящий в том, что при взаимном перемещении. слоев жидкости или газа между ними возникают касательные силы, препятствующие такому перемещению.

Внешнее трение подразделяют на трение покоя (статическое трение ) и кинематическое трение . Трение покоя возникает между неподвижными твердыми телами, когда какое-либо из них пытаются сдвинуть с места. Кинематическое трение существует между взаимно соприкасающимися движущимися твердыми телами. Кинематическое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения .

В жизни человека силы трения играют важную роль. В одних случаях он их использует, а в других борется с ними. Силы трения имеют электромагнитную природу.

Трение покоя

Наблюдения показывают, что сила трения покоя всегда направлена противоположно действующей на тело внешней силе, стремящейся привести это тело в движение. До определенного момента сила трения покоя увеличивается с возрастанием внешней силы, уравновешивая последнюю. Максимальное значение силы трения покоя пропорционально модулю силы F д давления, производимого телом на опору.

По третьему закону Ньютона сила F д давления тела на опору равна по модулю силе N реакции опоры. Поэтому максимальная сила трения покоя пропорциональна силе реакции опоры. Для модулей этих сил справедливо следующее соотношение:

F п =f п N, (2.19)

где f п - безразмерный коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения покоя . Значение этого коэффициента зависит от материала и состояния трущихся поверхностей.

Определить значение коэффициента трения покоя можно следующим образом. Пусть тело (плоский брусок) лежит на наклонной плоскости АВ (рис. 23). На него действуют три силы: сила тяжести F, сила трения покоя F п и сила реакции опоры N. Нормальная составляющая F п силы тяжести представляет собой силу давления F д, производимого телом на опору, т. е.

F Н =F д. (2.20)

Тангенциальная составляющая F т силы тяжести представляет собой силу, стремящуюся сдвинуть тело вниз по наклонной плоскости.

При малых углах наклона a сила F т уравновешивается силой трения покоя F п и тело на наклонной плоскости покоится (сила N реакции опоры по третьему закону Ньютона равна по модулю и противоположна по направлению силе F д, т. е. уравновешивает ее).

Будем увеличивать угол наклона a до тех пор, пока тело не начнет скользить вниз по наклонной плоскости. В этот момент

F т =F пmax (2.21)

Подставив в формулу (2.19) выражения (2.20) и (2.21), получим

f п =F т /F н (2.22)

Из рис. 23 видно, что

F т =Fsin a = mg sin a; F н =Fcos a = mg cos a.

f н =sin a/cos a=tg a. (2.23)

Измерив угол a, при котором начинается скольжение тела, можно по формуле (2.25) вычислить значение коэффициента трения покоя f п.

Виды кинематического трения

Трение скольжения возникает при скольжении одного твердого тела по поверхности другого. Закон для трения скольжения имеет вид

F c = f c N, (2.24)

где F c - модуль силы трения скольжения; f c - безразмерный коэффициент трения скольжения; N - модуль силы реакции опоры. Значение f c зависит от того, из каких веществ изготовлены трущиеся поверхности и от качества их обработки. Если сделать поверхности более гладкими, значение f c c вновь увеличивается. Происходит это потому, что молекулы тел с гладкими поверхностями близко подходят друг к другу и силы молекулярного притяжения между ними вызывают "прилипание" тел, препятствующее их скольжению. Трение качения возникает при качении (без скольжения) твердых тел круглой формы по поверхности других твердых тел. уменьшится. Однако уменьшать шероховатость поверхностей можно лишь до определенного предела, так как при очень гладких (например, полированных) поверхностях значение f

Причина появления трения качения заключается в следующем. Под действием силы тяжести круглое твердое тело (например, шар или колесо), находящееся на плоской поверхности, деформируется, вследствие чего оно опирается не на одну точку, а на площадку больших или меньших размеров. Это приводит к тому, что, когда тело начинает катиться, точка А приложения реакции опоры смещается немного вперед от вертикали, проходящей через центр тяжести тела, а линия действия силы реакции опоры R отклоняется немного назад от этой вертикали (рис. 24). При этом нормальная составляющая R н = N реакции опоры компенсирует силу тяжести F (т.е. R н =-F), а не скомпенсированная тангенциальная составляющая R т реакции опоры направлена против движения тела и играет роль силы трения качения F к. Модуль силы трения качения F к определяют по закону

F к = K к ·N/r (2.25)

где K к -безразмерный коэффициент трения качения; N=R н - модуль нормальной составляющей силы реакции опоры; r - радиус катящегося тела.

Если мы сравним между собой коэффициенты всех видов внешнего трения для каких-либо двух материалов, из которых изготовлены соприкасающиеся тела, то увидим, что f п >f c >K k , т. е. при прочих равных условиях наибольшим является трение покоя, а наименьшим - трение качения.

Роль смазки

С целью уменьшения внешнего трения между соприкасающимися поверхностями твердых тел вводят смазку, т. е. вязкую жидкость, которая прилипает к твердым телам и образует между их поверхностями слой большей или меньшей толщины. При этом трение возникает уже не между твердыми телами, а между слоями смазки, что и приводит к значительному уменьшению силы трения. Внешнее трение называют сухим , если смазка вообще отсутствует, гидродинамическим, если слой смазки толстый, граничным, если слой смазки очень тонкий.

Силы сопротивления движению тел в жидкостях и газах

Сила сопротивления движению возникает и при движении твердых тел в жидкостях и газах. В данном случае трение покоя вообще отсутствует, так как в жидкости или в газе сколь угодно малая сила может вывести тело из состояния покоя, сообщив ему ускорение.

Сила сопротивления, возникающая в жидкости или газе, всегда направлена против движения тела, по касательной к его поверхности и зависит от скорости движения тела. При небольших скоростях движения сила сопротивления F c пропорциональна скорости, а при больших скоростях - F c пропорциональна квадрату скорости.

В газах, из-за их малой плотности, тело может развить большую скорость, поэтому сила сопротивления F c =-k 1 v 2 . В жидкостях плотность вещества велика, тело не может развить большую скорость, а потому Fc=-k 2 v. В последних формулах коэффициенты пропорциональности k 1 и k 2 зависят от рода жидкости или газа и их температуры.

Наблюдения показывают, что сила сопротивления движению в жидкостях или газах в значительной степени зависит также от формы движущегося тела. Геометрическую форму тела, при которой сила сопротивления движению со стороны среды мала, принято называть обтекаемой .

В природе существует несколько видов трения. В случае касания твердого тела и себе подобным возникает сухое трение, которое делится на:

• Трение покоя;
• Трение скольжения;
• Трение качения.

В случае если твердое тело начинает контактировать с жидкостью или газом, возникает не сухое трение.

Сила трения покоя

Рассмотрим мяч, лежащий на поверхности. На него действуют силы:

• Сила тяжести F, где m– масса тела, а g – ускорение свободного падения, являющееся постоянной величиной.
• Сила реакции опоры N.

Попробуем подействовать на мяч силой, параллельной поверхности, на которой он находится. В результате наш мяч не сдвинулся с места, что говорит о том, что на него также действует еще одна сила. Она называется силой трения покоя, и противоположна по направлению силе, с которой мы действовали на мяч. Она равна по модулю прилагаемой силе.

Таким образом, можно записать следующую формулу:

Так же существует величина, характеризующая зависимость силы трения покоя и силы реакции опоры. Она называется коэффициент трения покоя и обозначается µ0

Максимальное значение силы трения покоя, которая действует на мяч, можно вычислить по формуле:

Сила трения скольжения

Приложим к рассматриваемому мячу еще раз силу. На этот раз наш мяч начинает движение вдоль поверхности, на которой он находится. И в этом случае со стороны поверхности на мяч действует сила, которая носит название – сила трения скольжения. Эта сила препятствует тому, чтобы мяч двигался и направлена в сторону, противоположную движению.

Сила трения скольжения также пропорциональна силе реакции опоры:

Fтр.скольж.=µ*N

Сила трения качения

Данный вид трения возникнет при перекатывании мяча к какому-либо другому телу, или при качении его по поверхности. Также как и трение скольжения, оно направлено в сторону, противоположную движению.

Не сухое трение

Данный вид трения возникает в том случае, если твердое тело двигается в жидкой или газообразной среде. Эта сила также направлена в сторону, противоположную движению и препятствует ему. Величина силы сопротивления зависит от скорости, с которой тело движется в среде.

В случае если тело движется с небольшой скоростью, силу сопротивления можно вычислить по следующей формуле:

Fсопротивл.=k*v

k – коэффициент сопротивления, v – значение относительной скорости.

Если же величина относительной скорости имеет достаточно большое значение, то силу сопротивления нужно вычислять по следующей формуле.