Трение

Разделы:

Тре́ние — процесс взаимодействия тел при их относительном кручении (смещении) либо при торможении тела в жидконосном 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].

Содержание

Сила трения

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

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.

Характер фрикционного взаимодействия

В физике взаимодействие трения 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 жидконосного 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

Основная статья: Закон Амонтона — Кулона

Основной характеристикой трения является коэффициент трения μ{displaystyle mu } $mu$ , который определяетсяматериалами, из которых изготовлены не на поверхности

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

|F|⩽μNnormal,{displaystyle |F|leqslant mu {N_{normal}},}

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

Пары материалов	μ{displaystyle mu } $mu$ покоя	μ{displaystyle mu } $mu$ скольжения
Сталь-Сталь	0.5-0.8[1]	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

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

μ=(Ffriction+Fadhesion)/Nnormal{displaystyle mu =(F_{friction}+F_{adhesion})/{N_{normal}}}

mu =(F_{{friction}}+F_{{adhesion}})/{N_{{normal}}}

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 (μ⩾1){displaystyle (mu geqslant 1)} $(mu geqslant 1)$ , 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

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 также обеспечивается сцепление колёс автомобиля (мотоцикла) с поверхностью дороги. В частности, для улучшения этого сцепления разрабатываются новые формы и специальные типы резины для покрышек, а на гоночные болиды устанавливаются антикрылья, сильнее прижимающие машину к трассе.

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 всего всего

Литература

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

↑ Ерин Ю. Сверхпроводимость уменьшает силу трения (неопр.). Элементы.ру (15.02.2011). Архивировано 22 августа 2011 года.

↑ Friction theory and coefficients of friction for some common materials and materials combinations.