Трение

редактировать
Для использования в других целях, см Трение (значения).

Рисунок 1: Моделированные блоки с фрактальной шероховатой поверхностью, демонстрирующие статические фрикционные взаимодействия.

Трение - это сила, препятствующая относительному движению твердых поверхностей, слоев жидкости и элементов материала, скользящих друг относительно друга. Различают несколько видов трения:

  • Сухое трение - это сила, которая противодействует относительному боковому движению двух соприкасающихся твердых поверхностей. Сухое трение подразделяется на статическое трение ( « прилипание ») между не движущихся поверхностей, и кинетического трения между движущимися поверхностями. За исключением атомного или молекулярного трения, сухое трение обычно возникает из-за взаимодействия поверхностных элементов, известных как неровности (см. Рисунок 1).
  • Трение жидкости описывает трение между слоями вязкой жидкости, которые движутся относительно друг друга.
  • Смазываемое трение - это случай жидкостного трения, когда смазочная жидкость разделяет две твердые поверхности.
  • Кожное трение - это составляющая сопротивления, силы, препятствующей движению жидкости по поверхности тела.
  • Внутреннее трение - это сила, препятствующая движению между элементами, составляющими твердый материал, при его деформации.

Когда соприкасающиеся поверхности движутся относительно друг друга, трение между двумя поверхностями преобразует кинетическую энергию в тепловую (то есть преобразует работу в тепло ). Это свойство может иметь драматические последствия, о чем свидетельствует использование трения, создаваемого трением кусков дерева друг о друга, чтобы разжечь огонь. Кинетическая энергия преобразуется в тепловую всякий раз, когда происходит движение с трением, например, при перемешивании вязкой жидкости. Еще одним важным последствием многих типов трения может быть износ, который может привести к снижению производительности или повреждению компонентов. Трение является составной частью науки о трибологии.

Трение желательно и важно для обеспечения тяги и облегчения движения на суше. Большинство наземных транспортных средств полагаются на трение для ускорения, замедления и изменения направления. Внезапное снижение тяги может привести к потере управления и несчастным случаям.

Само трение не является фундаментальной силой. Сухое трение возникает из-за сочетания межповерхностной адгезии, шероховатости поверхности, деформации поверхности и поверхностного загрязнения. Сложность этих взаимодействий делает расчет трения из первых принципов непрактичным и требует использования эмпирических методов для анализа и развития теории.

Трение - неконсервативная сила - работа, выполняемая против трения, зависит от пути. При наличии трения некоторая кинетическая энергия всегда преобразуется в тепловую, поэтому механическая энергия не сохраняется.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 История
  • 2 закона сухого трения
  • 3 Сухое трение
    • 3.1 Нормальная сила
    • 3.2 Коэффициент трения
      • 3.2.1 Приблизительные коэффициенты трения
    • 3.3 Статическое трение
    • 3.4 Кинетическое трение
    • 3.5 Угол трения
    • 3.6 Трение на атомном уровне
    • 3.7 Ограничения кулоновской модели
      • 3.7.1 «Отрицательный» коэффициент трения
    • 3.8 Численное моделирование кулоновской модели.
    • 3.9 Сухое трение и нестабильность
  • 4 Гидравлическое трение
  • 5 Трение со смазкой
  • 6 Трение кожи
  • 7 Внутреннее трение
  • 8 Радиационное трение
  • 9 Другие виды трения
    • 9.1 Сопротивление качению
    • 9.2 Тормозное трение
    • 9.3 Трибоэлектрический эффект
    • 9.4 Трение ремня
  • 10 Уменьшение трения
    • 10.1 Устройства
    • 10.2 Смазочные материалы
  • 11 Энергия трения
    • 11.1 Работа трения
  • 12 приложений
    • 12.1 Транспортировка
    • 12.2 Измерение
    • 12.3 Использование в домашних условиях
  • 13 См. Также
  • 14 Ссылки
  • 15 Внешние ссылки

История

Греки, в том числе Аристотель, Витрувий и Плиний Старший, интересовались причиной и смягчением трения. Они знали о различиях между статическим и кинетическим трением. Фемистий заявил в 350 году нашей эры, что «легче поддерживать движение движущегося тела, чем двигаться в неподвижном состоянии».

Классические законы трения скольжения были открыты Леонардо да Винчи в 1493 году, пионером в области трибологии, но законы, задокументированные в его записных книжках, не были опубликованы и остались неизвестными. Эти законы были заново открыты Гийомом Амонтоном в 1699 году и стали известны как три закона Амонтона сухого трения. Амонтонс представил природу трения с точки зрения неровностей поверхности и силы, необходимой для увеличения веса, прижимающего поверхности друг к другу. Эта точка зрения была далее развита Бернаром Форестом де Белидором и Леонардом Эйлером (1750), которые вывели угол естественного откоса груза на наклонной плоскости и впервые различили статическое и кинетическое трение. Иоанн Теофил Дезагулер (1734) первым осознал роль адгезии в трении. Микроскопические силы заставляют поверхности слипаться; он предположил, что трение - это сила, необходимая для разрыва прилегающих поверхностей.

Понимание трения развил Шарль-Огюстен де Кулон (1785). Кулон исследовал влияние четырех основных факторов на трение: природы контактирующих материалов и покрытий на их поверхности; протяженность площади поверхности; нормальное давление (или нагрузка); и продолжительность контакта поверхностей (время покоя). Кулон далее рассмотрел влияние скорости скольжения, температуры и влажности, чтобы выбрать между различными объяснениями природы трения, которые были предложены. Различие между статическим и динамическим трением проводится в законе трения Кулона (см. Ниже), хотя это различие уже было проведено Иоганном Андреасом фон Сегнером в 1758 году. Влияние времени покоя объяснил Питер ван Мушенбрук (1762), учитывая поверхности волокнистых материалов с волокнами сцепляются друг с другом, что требует конечного времени, в течение которого трение увеличивается.

Джон Лесли (1766–1832) отметил слабость взглядов Амонтона и Кулона: если трение возникает из-за того, что груз поднимается по наклонной плоскости последовательных выступов, почему тогда оно не уравновешивается спуском по противоположному склону? Лесли столь же скептически относился к роли адгезии, предложенной Дезагюлье, которая в целом должна иметь такую ​​же тенденцию к ускорению, как и к замедлению движения. По мнению Лесли, трение следует рассматривать как зависящий от времени процесс уплощения, сдавливания неровностей, что создает новые препятствия в том, что раньше было полостями.

Артур Жюль Морен (1833) разработал концепцию трения скольжения по сравнению с трением качения. Осборн Рейнольдс (1866) вывел уравнение вязкого течения. Это завершило классическую эмпирическую модель трения (статического, кинетического и жидкостного), обычно используемую сегодня в технике. В 1877 году Флиминг Дженкин и Дж. А. Юинг исследовали непрерывность статического и кинетического трения.

В центре внимания исследований в 20 веке было понимание физических механизмов трения. Франк Филип Боуден и Дэвид Табор (1950) показали, что на микроскопическом уровне фактическая площадь контакта между поверхностями составляет очень небольшую часть видимой площади. Эта фактическая площадь контакта, вызванная неровностями, увеличивается с давлением. Развитие атомного силового микроскопа (ок. 1986 г.) позволило ученым изучить трение в атомном масштабе, показав, что в этом масштабе сухое трение является продуктом межповерхностного напряжения сдвига и площади контакта. Эти два открытия объясняют первый закон Амонтона (см. Ниже) ; макроскопическая пропорциональность между нормальной силой и статической силой трения между сухими поверхностями.

Законы сухого трения

Элементарное свойство скользящего (кинетического) трения было обнаружено экспериментально в 15-18 веках и выражалось в трех эмпирических законах:

  • Первый закон Амонтона : сила трения прямо пропорциональна приложенной нагрузке.
  • Второй закон Амонтона: сила трения не зависит от видимой области контакта.
  • Закон трения Кулона: кинетическое трение не зависит от скорости скольжения.

Сухое трение

Сухое трение препятствует относительному боковому движению двух соприкасающихся твердых поверхностей. Два режима сухого трения является «статическим трением» ( « липкость ») между не двигающимися поверхностями, и кинетическое трением (иногда называемым трением скольжения или динамическим трением) между подвижными поверхностями.

Кулоновское трение, названное в честь Шарля-Огюстена де Кулона, представляет собой приближенную модель, используемую для расчета силы сухого трения. Это регулируется моделью:

F ж μ F п , {\ Displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \ leq \ mu F _ {\ mathrm {n}},}

куда

  • F ж {\ Displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \,}это сила трения одной поверхности о другую. Он параллелен поверхности в направлении, противоположном приложенной чистой силе.
  • μ {\ displaystyle \ mu \,} коэффициент трения, который является эмпирическим свойством контактирующих материалов,
  • F п {\ Displaystyle F _ {\ mathrm {п}} \,}- нормальная сила, прилагаемая каждой поверхностью к другой, направленная перпендикулярно (перпендикулярно) поверхности.

Кулоновское трение может принимать любое значение от нуля до, а направление силы трения о поверхность противоположно движению, которое поверхность испытывала бы в отсутствие трения. Таким образом, в статическом случае сила трения является именно такой, какой она должна быть, чтобы предотвратить движение между поверхностями; он уравновешивает чистую силу, вызывающую такое движение. В этом случае, вместо оценки действительной силы трения, кулоновское приближение дает пороговое значение для этой силы, выше которого начнется движение. Эта максимальная сила известна как тяга. F ж {\ Displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \,} μ F п {\ Displaystyle \ му Ф _ {\ mathrm {п}} \,}

Сила трения всегда действует в направлении, противоположном движению (для кинетического трения) или потенциальному движению (для статического трения) между двумя поверхностями. Например, камень для керлинга, скользящий по льду, испытывает замедляющую кинетическую силу. В качестве примера возможного движения ведущие колеса ускоряющегося автомобиля испытывают силу трения, направленную вперед; в противном случае колеса будут вращаться, и резина будет скользить назад по тротуару. Обратите внимание, что это не направление движения автомобиля, которому они противостоят, а направление (потенциального) скольжения между шиной и дорогой.

Нормальная сила

Схема свободного тела для блока на пандусе. Стрелки - это векторы, указывающие направления и величины сил. N - нормальная сила, mg - сила тяжести, а F f - сила трения. Основная статья: Нормальная сила

Нормальная сила определяется как результирующая сила, сжимающая две параллельные поверхности вместе, и ее направление перпендикулярно этим поверхностям. В простом случае, когда масса лежит на горизонтальной поверхности, единственной составляющей нормальной силы является сила тяжести, где. В этом случае условие равновесия говорят нам о том, что величина силы трения равна нуль,. Фактически, сила трения всегда удовлетворяется, причем равенство достигается только при критическом угле наклона (задаваемом), который достаточно крутой, чтобы вызвать скольжение. N знак равно м грамм {\ Displaystyle N = мг \,} F ж знак равно 0 {\ displaystyle F_ {f} = 0} F ж μ N {\ Displaystyle F_ {F} \ leq \ mu N} загар - 1 μ {\ displaystyle \ tan ^ {- 1} \ mu}

Коэффициент трения - это эмпирическое (экспериментально измеренное) структурное свойство, которое зависит только от различных аспектов контактирующих материалов, таких как шероховатость поверхности. Коэффициент трения не зависит от массы или объема. Например, большой алюминиевый блок имеет тот же коэффициент трения, что и маленький алюминиевый блок. Однако величина самой силы трения зависит от нормальной силы и, следовательно, от массы блока.

В зависимости от ситуации расчет нормальной силы может включать в себя силы, отличные от силы тяжести. Если объект находится на ровной поверхности и подвергается воздействию внешней силы, стремящейся заставить его скользить, тогда нормальная сила между объектом и поверхностью равна справедливой, где - вес блока, а - составляющая внешней силы, направленная вниз. Перед скольжением эта сила трения равна, где - горизонтальная составляющая внешней силы. Итак, в общем. Скольжение начинается только после того, как сила трения достигает значения. А до тех пор трение - это то, что нужно для обеспечения равновесия, поэтому его можно рассматривать просто как реакцию. N {\ displaystyle N} п {\ displaystyle P} N знак равно м грамм + п у {\ Displaystyle N = мг + P_ {y}} м грамм {\ displaystyle mg} п у {\ displaystyle P_ {y}} F ж знак равно - п Икс {\ displaystyle F_ {f} = - P_ {x}} п Икс {\ displaystyle P_ {x}} F ж μ N {\ Displaystyle F_ {F} \ leq \ mu N} F ж знак равно μ N {\ displaystyle F_ {f} = \ mu N}

Если объект находится на наклонной поверхности, например на наклонной плоскости, нормальная сила тяжести будет меньше, поскольку меньшая сила тяжести перпендикулярна поверхности плоскости. Нормальная сила и сила трения в конечном итоге определяются с помощью векторного анализа, обычно с помощью диаграммы свободного тела. м грамм {\ displaystyle mg}

В общем, процесс решения любой статической задачи с трением состоит в том, чтобы рассматривать соприкасающиеся поверхности предварительно как неподвижные, чтобы можно было рассчитать соответствующую тангенциальную силу реакции между ними. Если эта сила реакции трения удовлетворяется, то предварительное предположение было правильным, и это действительная сила трения. В противном случае сила трения должна быть установлена ​​равной, и тогда результирующий дисбаланс сил определит ускорение, связанное с проскальзыванием. F ж μ N {\ Displaystyle F_ {F} \ leq \ mu N} F ж знак равно μ N {\ displaystyle F_ {f} = \ mu N}

Коэффициент трения

Коэффициент трения (COF), часто обозначается греческой буквой М, является безразмерное скалярное значение, которое равно отношению силы трения между двумя телами и силы, прижимающей их вместе, либо во время или в начале скольжения. Коэффициент трения зависит от используемых материалов; например, лед о сталь имеет низкий коэффициент трения, а резина о дорожное покрытие - высокий коэффициент трения. Коэффициенты трения находятся в диапазоне от почти нуля до больше единицы. Аксиома природы трения между металлическими поверхностями заключается в том, что между двумя поверхностями из одинаковых металлов оно больше, чем между двумя поверхностями из разных металлов - следовательно, латунь будет иметь более высокий коэффициент трения при движении по латуни, но меньше при движении по латуни. сталь или алюминий.

Для поверхностей, покоящихся друг относительно друга, где - коэффициент трения покоя. Обычно это больше, чем его кинетический аналог. Коэффициент статического трения, проявляемый парой контактирующих поверхностей, зависит от совокупного воздействия характеристик деформации материала и шероховатости поверхности, оба из которых берут свое начало в химической связи между атомами в каждом из объемных материалов, а также между поверхностями материала и любыми другими материалами. адсорбированный материал. Известно, что фрактальность поверхностей, параметр, описывающий масштабное поведение неровностей поверхности, играет важную роль в определении величины статического трения. μ знак равно μ s {\ Displaystyle \ му = \ му _ {\ mathrm {s}}} μ s {\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {s}}}

Для поверхностей, находящихся в относительном движении, где - коэффициент кинетического трения. Кулоновское трение равно, и сила трения на каждой поверхности действует в направлении, противоположном ее движению относительно другой поверхности. μ знак равно μ k {\ displaystyle \ mu = \ mu _ {\ mathrm {k}}} μ k {\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {k}} \,} F ж {\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}}}

Артур Морин ввел термин и продемонстрировал полезность коэффициента трения. Коэффициент трения - это эмпирическое измерение - его нужно измерить экспериментально и не может быть определено путем расчетов. Более грубые поверхности обычно имеют более высокие эффективные значения. Как статические, так и кинетические коэффициенты трения зависят от пары контактирующих поверхностей; для данной пары поверхностей коэффициент трения покоя обычно больше, чем у кинетического трения; в некоторых наборах два коэффициента равны, например, тефлон на тефлоне.

Большинство сухих материалов в сочетании имеют значения коэффициента трения от 0,3 до 0,6. Значения вне этого диапазона встречаются реже, но тефлон, например, может иметь коэффициент всего 0,04. Нулевое значение означало бы отсутствие трения, неуловимое свойство. Резина, контактирующая с другими поверхностями, может иметь коэффициенты трения от 1 до 2. Иногда утверждают, что μ всегда lt;1, но это неверно. В то время как в большинстве соответствующих приложений μ lt;1, значение выше 1 просто означает, что сила, необходимая для скольжения объекта по поверхности, больше, чем нормальное усилие поверхности на объект. Например, поверхности, покрытые силиконовым каучуком или акриловым каучуком, имеют коэффициент трения, который может быть существенно больше 1.

Хотя часто утверждается, что COF является «материальным свойством», его лучше классифицировать как «системное свойство». В отличие от истинных свойств материала (таких как проводимость, диэлектрическая проницаемость, предел текучести), коэффициент трения для любых двух материалов зависит от системных переменных, таких как температура, скорость, атмосфера, а также от того, что сейчас обычно называют временем старения и разрушения; а также от геометрических свойств интерфейса между материалами, а именно от структуры поверхности. Например, медный штифт, скользящий по толстой медной пластине, может иметь коэффициент трения, который изменяется от 0,6 при низких скоростях (скольжение металла по металлу) до менее 0,2 при высоких скоростях, когда поверхность меди начинает плавиться из-за нагрева от трения. Последняя скорость, конечно, не определяет COF однозначно; если диаметр штифта увеличивается так, что нагрев от трения быстро устраняется, температура падает, штифт остается твердым, а коэффициент трения повышается до значения при испытании на «низкой скорости».

Примерные коэффициенты трения

Материалы Статическое трение, μ s {\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {s}}} Кинетическое / скользящее трение, μ k {\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {k}} \,}
Сухой и чистый Смазанный Сухой и чистый Смазанный
Алюминий Сталь 0,61 0,47
Алюминий Алюминий 1,05–1,35 0,3 1,4–1,5
Золото Золото 2,5
Платина Платина 1.2 0,25 3.0
Серебряный Серебряный 1.4 0,55 1.5
Глиноземная керамика Керамика из нитрида кремния 0,004 (влажный)
БАМ (керамический сплав AlMgB 14) Борид титана (TiB 2) 0,04–0,05 0,02
Латунь Сталь 0,35–0,51 0,19 0,44
Чугун Медь 1.05 0,29
Чугун Цинк 0,85 0,21
Конкретный Резина 1.0 0,30 (влажный) 0,6–0,85 0,45–0,75 (влажный)
Конкретный Древесина 0,62
Медь Стакан 0,68 0,53
Медь Сталь 0,53 0,36 0,18
Стакан Стакан 0,9–1,0 0,005–0,01 0,4 0,09–0,116
Синовиальная жидкость человека Человеческий хрящ 0,01 0,003
Лед Лед 0,02–0,09
Полиэтилен Сталь 0,2 0,2
PTFE (тефлон) PTFE (тефлон) 0,04 0,04 0,04
Сталь Лед 0,03
Сталь PTFE (тефлон) 0,04-0,2 0,04 0,04
Сталь Сталь 0,74−0,80 0,005–0,23 0,42–0,62 0,029–0,19
Древесина Металл 0,2–0,6 0,2 (влажный) 0,49 0,075
Древесина Древесина 0,25–0,62 0,2 (влажный) 0,32–0,48 0,067–0,167

При определенных условиях некоторые материалы имеют очень низкие коэффициенты трения. Примером является (высокоупорядоченный пиролитический) графит, который может иметь коэффициент трения ниже 0,01. Этот режим сверхнизкого трения называется сверхсмазкой.

Статическое трение

Когда масса неподвижна, объект испытывает статическое трение. Трение увеличивается по мере увеличения приложенной силы, пока блок не переместится. После того, как блок перемещается, он испытывает кинетическое трение, которое меньше максимального статического трения.

Статическое трение - это трение между двумя или более твердыми объектами, которые не движутся относительно друг друга. Например, статическое трение может предотвратить скольжение объекта по наклонной поверхности. Коэффициент статического трения, обычно обозначаемый как μ s, обычно выше, чем коэффициент кинетического трения. Считается, что статическое трение возникает в результате особенностей шероховатости поверхности в различных масштабах длины на твердых поверхностях. Эти особенности, известные как неровности, присутствуют вплоть до наномасштабных размеров и приводят к тому, что настоящий контакт твердого тела с твердым телом существует только в ограниченном количестве точек, составляющих лишь часть видимой или номинальной площади контакта. Линейность между приложенной нагрузкой и истинной площадью контакта, возникающая из-за деформации неровностей, приводит к линейности между статической силой трения и нормальной силой, обнаруживаемой для типичного трения Амонтона – Кулона.

Сила статического трения должна быть преодолена приложенной силой, прежде чем объект сможет двигаться. Максимально возможная сила трения между двумя поверхностями, прежде чем скольжения начинается является произведением коэффициента статического трения и нормальной силы:. Когда скольжения не происходит, сила трения может иметь любое значение от нуля до. Любой силе, меньшей, чем попытка скольжения одной поверхности по другой, противодействует сила трения равной величины и противоположного направления. Любая сила, превышающая силу трения покоя, вызывает скольжение. Происходит мгновенное скольжение, статическое трение больше не применяется - трение между двумя поверхностями тогда называется кинетическим трением. Однако кажущееся трение покоя может наблюдаться даже в том случае, когда истинное трение покоя равно нулю. F Максимум знак равно μ s F п {\ displaystyle F _ {\ text {max}} = \ mu _ {\ mathrm {s}} F _ {\ text {n}}} F Максимум {\ displaystyle F _ {\ text {max}}} F Максимум {\ displaystyle F _ {\ text {max}}} F Максимум {\ displaystyle F _ {\ text {max}}}

Примером статического трения является сила, препятствующая скольжению автомобильного колеса при катании по земле. Несмотря на то, что колесо находится в движении, пятно шины, контактирующее с землей, неподвижно относительно земли, поэтому это статическое, а не кинетическое трение.

Максимальное значение статического трения при приближении движения иногда называют ограничивающим трением, хотя этот термин не используется повсеместно.

Кинетическое трение

Кинетическое трение, также известное как динамическое трение или трение скольжения, возникает, когда два объекта движутся относительно друг друга и трутся друг о друга (как салазки по земле). Коэффициент кинетического трения обычно обозначается как μ k и обычно меньше коэффициента трения покоя для тех же материалов. Однако Ричард Фейнман отмечает, что «с сухими металлами очень трудно показать какую-либо разницу». Сила трения между двумя поверхностями после скольжения начинается является произведением коэффициента кинетического трения и нормальной силы:. Это отвечает за Кулон демпфирующего из колебательной или вибрационной системы. F k знак равно μ k F п {\ Displaystyle F_ {k} = \ mu _ {\ mathrm {k}} F_ {n} \,}

Новые модели начинают показывать, насколько кинетическое трение может быть больше, чем трение покоя. Теперь понимают, что кинетическое трение во многих случаях в первую очередь вызвано химической связью между поверхностями, а не переплетенными неровностями; однако во многих других случаях эффекты шероховатости являются доминирующими, например, при трении резины о дорогу. Шероховатость поверхности и площадь контакта влияют на кинетическое трение для микро- и наноразмерных объектов, где силы площади поверхности преобладают над силами инерции.

Происхождение кинетического трения в наномасштабе можно объяснить термодинамикой. При скольжении новая поверхность образуется в задней части скользящего истинного контакта, а существующая поверхность исчезает в передней части. Поскольку все поверхности используют термодинамическую поверхностную энергию, работа должна быть затрачена на создание новой поверхности, а энергия выделяется в виде тепла при удалении поверхности. Таким образом, требуется сила, чтобы переместить заднюю часть контакта, и тепло трения выделяется спереди.

Угол трения θ, когда блок только начинает скользить.

Угол трения

Информацию о максимальном угле статического трения между сыпучими материалами см. В разделе « Угол естественного откоса».

Для некоторых приложений более полезно определять статическое трение в терминах максимального угла, перед которым один из элементов начнет скользить. Это называется углом трения или углом трения. Это определяется как:

загар θ знак равно μ s {\ displaystyle \ tan {\ theta} = \ mu _ {\ mathrm {s}} \,}

где θ - угол от горизонтали, а μ s - статический коэффициент трения между объектами. Эта формула также может быть использована для вычисления μ ы из эмпирических измерений угла трения.

Трение на атомном уровне

Определение сил, необходимых для перемещения атомов друг мимо друга, является сложной задачей при разработке наномашин. В 2008 году ученые впервые смогли переместить отдельный атом по поверхности и измерить необходимые силы. Используя сверхвысокий вакуум и почти нулевую температуру (5 К), использовали модифицированный атомно-силовой микроскоп для перетаскивания атома кобальта и молекулы монооксида углерода через поверхности меди и платины.

Ограничения кулоновской модели

Кулоновское приближение следует из предположений, что: поверхности находятся в атомарно плотном контакте только на небольшой части своей общей площади; что эта площадь контакта пропорциональна нормальной силе (до насыщения, которое имеет место, когда вся площадь находится в атомном контакте); и что сила трения пропорциональна приложенной нормальной силе независимо от площади контакта. Кулоновское приближение - это, по сути, эмпирическая конструкция. Это практическое правило, описывающее приблизительный результат чрезвычайно сложного физического взаимодействия. Сильной стороной приближения является его простота и универсальность. Хотя соотношение между нормальной силой и силой трения не совсем линейное (и поэтому сила трения не полностью независима от площади контакта поверхностей), кулоновское приближение является адекватным представлением трения для анализа многих физических систем.

Когда поверхности соединяются, кулоновское трение становится очень плохим приближением (например, клейкая лента сопротивляется скольжению даже при отсутствии нормальной силы или отрицательной нормальной силы). В этом случае сила трения может сильно зависеть от площади контакта. По этой причине некоторые шины для дрэг-рейсинга липкие. Однако, несмотря на сложность фундаментальной физики, лежащей в основе трения, соотношения достаточно точны, чтобы их можно было использовать во многих приложениях.

«Отрицательный» коэффициент трения

По состоянию на 2012 год одно исследование продемонстрировало потенциал для эффективно отрицательного коэффициента трения в режиме низкой нагрузки, что означает, что уменьшение нормальной силы приводит к увеличению трения. Это противоречит повседневному опыту, когда увеличение нормальной силы приводит к увеличению трения. Об этом сообщалось в журнале Nature в октябре 2012 года и касалось трения, с которым сталкивается игла атомно-силового микроскопа при протягивании по листу графена в присутствии кислорода, адсорбированного графеном.

Численное моделирование кулоновской модели.

Несмотря на то, что это упрощенная модель трения, кулоновская модель полезна во многих приложениях численного моделирования, таких как многотельные системы и сыпучий материал. Даже его самое простое выражение инкапсулирует фундаментальные эффекты прилипания и скольжения, которые требуются во многих прикладных случаях, хотя должны быть разработаны специальные алгоритмы, чтобы эффективно численно интегрировать механические системы с кулоновским трением и двусторонним или односторонним контактом. Некоторые весьма нелинейные эффекты, такие как так называемые парадоксы Пенлеве, могут возникать при кулоновском трении.

Сухое трение и нестабильность

Сухое трение может вызвать несколько типов нестабильности в механических системах, которые демонстрируют стабильное поведение в отсутствие трения. Эти нестабильности могут быть вызваны уменьшением силы трения с увеличением скорости скольжения, расширением материала из-за выделения тепла во время трения (термоупругие нестабильности) или чисто динамическими эффектами скольжения двух упругих материалов (метод Адамса). –Мартинс нестабильности). Последние были впервые обнаружены в 1995 году Джорджем Г. Адамсом и Жоао Армениу Коррейа Мартинс для гладких поверхностей, а позже были обнаружены в периодических шероховатых поверхностях. В частности, считается, что связанная с трением динамическая нестабильность ответственна за визг тормозов и «песню» стеклянной арфы, явления, которые включают в себя залипание и скольжение, моделируемые как падение коэффициента трения со скоростью.

Практически важный случай - автоколебание струн смычковых инструментов, таких как скрипка, виолончель, шарманка, эрху и т. Д.

Была обнаружена связь между сухим трением и нестабильностью флаттера в простой механической системе, см. Фильм, чтобы узнать больше.

Фрикционная нестабильность может привести к образованию новых самоорганизующихся структур (или «вторичных структур») на границе скольжения, таких как трибопленки, формируемые на месте, которые используются для уменьшения трения и износа в так называемых самосмазывающихся материалах..

Жидкостное трение

Основная статья: Вязкость

Трение жидкости происходит между слоями жидкости, которые движутся относительно друг друга. Это внутреннее сопротивление потоку называется вязкостью. В повседневных терминах вязкость жидкости описывается как ее «толщина». Таким образом, вода является «жидкой», имеющей более низкую вязкость, а мед - «густой», имеющей более высокую вязкость. Чем менее вязкая жидкость, тем легче она деформируется или перемещается.

Все настоящие жидкости (кроме сверхтекучих ) обладают некоторым сопротивлением сдвигу и поэтому являются вязкими. В учебных и пояснительных целях полезно использовать понятие невязкой жидкости или идеальной жидкости, которая не оказывает сопротивления сдвигу и, следовательно, не является вязкой.

Смазываемое трение

Основная статья: Смазка

Смазываемое трение - это случай жидкостного трения, когда жидкость разделяет две твердые поверхности. Смазка - это метод, используемый для уменьшения износа одной или обеих поверхностей в непосредственной близости, движущихся друг относительно друга, путем размещения вещества, называемого смазкой, между поверхностями.

В большинстве случаев приложенная нагрузка воспринимается давлением, создаваемым внутри жидкости из-за вязкого сопротивления трения движению смазочной жидкости между поверхностями. Адекватная смазка обеспечивает бесперебойную непрерывную работу оборудования с умеренным износом и без чрезмерных нагрузок или заеданий на подшипниках. Когда смазка выходит из строя, металл или другие компоненты могут разрушать друг друга, вызывая нагревание и, возможно, повреждение или выход из строя.

Трение кожи

Основная статья: Паразитическое сопротивление

Кожное трение возникает из-за взаимодействия между жидкостью и кожей тела и напрямую связано с площадью поверхности тела, которая контактирует с жидкостью. Кожное трение следует уравнению сопротивления и возрастает пропорционально квадрату скорости.

Кожное трение вызывается вязким сопротивлением в пограничном слое вокруг объекта. Есть два способа уменьшить поверхностное трение: первый - придать движущемуся телу форму, обеспечивающую плавное течение, как аэродинамический профиль. Второй метод - уменьшить длину и поперечное сечение движущегося объекта, насколько это возможно.

Внутреннее трение

Основная статья: Пластическая деформация твердых тел Смотрите также: Деформация (инженерия)

Внутреннее трение - это сила, препятствующая движению между элементами, составляющими твердый материал, при его деформации.

Пластическая деформация в твердых телах - это необратимое изменение внутренней молекулярной структуры объекта. Это изменение может быть вызвано либо (или обоими) приложенной силой или изменением температуры. Изменение формы объекта называется деформацией. Сила, вызывающая это, называется стрессом.

Упругая деформация в твердых телах - это обратимое изменение внутренней молекулярной структуры объекта. Стресс не обязательно вызывает постоянные изменения. При возникновении деформации внутренние силы противодействуют приложенной силе. Если приложенное напряжение не слишком велико, эти противодействующие силы могут полностью противостоять приложенной силе, позволяя объекту принять новое состояние равновесия и вернуться к своей исходной форме, когда сила будет устранена. Это известно как упругая деформация или эластичность.

Радиационное трение

Как следствие светового давления Эйнштейн в 1909 году предсказал существование «радиационного трения», которое будет препятствовать движению материи. Он писал: «Радиация будет оказывать давление на обе стороны пластины. Силы давления, действующие на обе стороны, равны, если пластина находится в состоянии покоя. Однако, если он находится в движении, больше излучения будет отражаться от поверхности, которая находится впереди во время движения (передняя поверхность), чем от задней поверхности. Таким образом, сила давления, действующая в обратном направлении, на переднюю поверхность больше, чем сила давления, действующая на спину. Следовательно, в качестве равнодействующей двух сил остается сила, которая противодействует движению пластины и увеличивается со скоростью пластины. Вкратце мы будем называть это результирующим «радиационным трением» ».

Другие виды трения

Сопротивление качению

Основная статья: Сопротивление качению

Сопротивление качению - это сила, которая препятствует качению колеса или другого круглого объекта по поверхности, вызванному деформациями объекта или поверхности. Обычно сила сопротивления качению меньше, чем сила, связанная с кинетическим трением. Типичные значения коэффициента сопротивления качению - 0,001. Одним из наиболее распространенных примеров сопротивления качению является движение автомобильных шин по дороге, процесс, в результате которого в качестве побочных продуктов выделяются тепло и звук.

Тормозное трение

Любое колесо, оснащенное тормозом, способно создавать большую тормозную силу, обычно с целью замедления и остановки транспортного средства или части вращающегося механизма. Трение торможения отличается от трения качения, потому что коэффициент трения для трения качения невелик, тогда как коэффициент трения для трения торможения рассчитан на большой благодаря выбору материалов для тормозных колодок.

Трибоэлектрический эффект

Основная статья: Трибоэлектрический эффект

Трение разнородных материалов друг о друга может вызвать накопление электростатического заряда, который может быть опасным при наличии горючих газов или паров. Когда происходит разряд статического электричества, взрыв может быть вызван воспламенением легковоспламеняющейся смеси.

Ремень трение

Основная статья: Трение ремня

Трение ремня - это физическое свойство, наблюдаемое благодаря силам, действующим на ремень, намотанный вокруг шкива, когда тянут за один конец. Результирующее натяжение, действующее на оба конца ремня, можно смоделировать уравнением трения ремня.

На практике теоретическое натяжение, действующее на ремень или канат, рассчитанное по уравнению трения ремня, можно сравнить с максимальным натяжением, которое ремень может выдержать. Это помогает разработчику такой оснастки узнать, сколько раз ремень или веревку необходимо обернуть вокруг шкива, чтобы предотвратить его соскальзывание. Альпинисты и парусные экипажи демонстрируют стандартные знания о трении ремня при выполнении базовых задач.

Уменьшение трения

Устройства

Такие устройства, как колеса, шариковые подшипники, роликовые подшипники, воздушная подушка или другие типы жидких подшипников, могут изменить трение скольжения на гораздо меньший тип трения качения.

Многие термопластические материалы, такие как нейлон, HDPE и PTFE, обычно используются в подшипниках с низким коэффициентом трения. Они особенно полезны, потому что коэффициент трения падает с увеличением приложенной нагрузки. Для повышения износостойкости подшипники с очень высокой молекулярной массой обычно используются для тяжелых или ответственных подшипников.

Смазочные материалы

Обычный способ уменьшить трение - использовать смазку, такую ​​как масло, вода или консистентная смазка, которая помещается между двумя поверхностями, часто значительно снижая коэффициент трения. Наука о трении и смазке называется трибологией. Смазочная технология - это когда смазочные материалы смешиваются с применением науки, особенно для промышленных или коммерческих целей.

Superlubricity, недавно обнаруженный эффект наблюдается в графите : это существенное уменьшение трения между двумя скользящими объектами, приближаясь к нулю уровней. Все равно будет рассеиваться очень небольшое количество энергии трения.

Смазочные материалы для преодоления трения не всегда должны быть жидкими, турбулентными жидкостями или порошкообразными твердыми веществами, такими как графит и тальк ; Акустическая смазка фактически использует звук в качестве смазки.

Другой способ уменьшить трение между двумя частями - наложить микромасштабную вибрацию на одну из частей. Это может быть синусоидальная вибрация, используемая при резке с помощью ультразвука, или вибрационный шум, известный как дизеринг.

Энергия трения

Согласно закону сохранения энергии, энергия не разрушается из-за трения, хотя она может быть потеряна для рассматриваемой системы. Энергия преобразуется из других форм в тепловую. Скользящая хоккейная шайба останавливается, потому что трение преобразует ее кинетическую энергию в тепло, которое увеличивает тепловую энергию шайбы и поверхности льда. Поскольку тепло быстро рассеивается, многие ранние философы, включая Аристотеля, ошибочно пришли к выводу, что движущиеся объекты теряют энергию без движущей силы.

Когда объект толкают по поверхности по пути C, энергия, преобразованная в тепло, определяется линейным интегралом в соответствии с определением работы

E т час знак равно C F ж р я c ( Икс ) d Икс   знак равно C μ k   F п ( Икс ) d Икс , {\ Displaystyle E_ {th} = \ int _ {C} \ mathbf {F} _ {\ mathrm {fric}} (\ mathbf {x}) \ cdot d \ mathbf {x} \ = \ int _ {C} \ mu _ {\ mathrm {k}} \ \ mathbf {F} _ {\ mathrm {n}} (\ mathbf {x}) \ cdot d \ mathbf {x},}

куда

F ж р я c {\ Displaystyle \ mathbf {F} _ {\ mathrm {fric}} \,} сила трения,
F п {\ Displaystyle \ mathbf {F} _ {\ mathrm {n}} \,}- вектор, полученный умножением величины нормальной силы на единичный вектор, направленный против движения объекта,
μ k {\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {k}} \,} - коэффициент кинетического трения, который находится внутри интеграла, потому что он может варьироваться от места к месту (например, если материал изменяется по пути),
Икс {\ Displaystyle \ mathbf {х} \,} позиция объекта.

Энергия, теряемая системой в результате трения, является классическим примером термодинамической необратимости.

Работа трения

В системе отсчета границы раздела между двумя поверхностями, статическое трение не делает не работу, потому что никогда не бывает смещения между поверхностями. В одной и той же системе отсчета кинетическое трение всегда происходит в направлении, противоположном движению, и совершает отрицательную работу. Однако трение может делать положительную работу в определенных системах отсчета. В этом можно убедиться, положив на ковер тяжелую коробку и быстро потянув за нее. В этом случае коробка скользит назад относительно коврика, но перемещается вперед относительно системы координат, в которой пол неподвижен. Таким образом, кинетическое трение между коробкой и ковриком ускоряет коробку в том же направлении, что и коробка, и совершает положительную работу.

Работа, совершаемая трением, может выражаться в деформации, износе и нагреве, что может повлиять на свойства контактной поверхности (даже на коэффициент трения между поверхностями). Это может быть полезно, например, при полировке. Работа трения используется для смешивания и соединения материалов, например, в процессе сварки трением. Чрезмерная эрозия или износ сопрягаемых поверхностей скольжения происходит, когда работа из-за сил трения возрастает до недопустимого уровня. Более твердые частицы коррозии, захваченные между сопрягаемыми поверхностями при относительном движении ( фреттинг ), усиливают износ от сил трения. Поскольку поверхности изнашиваются в результате работы из-за трения, посадка и качество поверхности объекта могут ухудшаться до тех пор, пока он не перестанет функционировать должным образом. Например, заедание или выход из строя подшипника может быть результатом чрезмерного износа из-за работы трения.

Приложения

Трение - важный фактор во многих инженерных дисциплинах.

Транспорт

  • Автомобильные тормоза по своей сути полагаются на трение, замедляя транспортное средство, преобразовывая его кинетическую энергию в тепло. Между прочим, безопасное рассеивание этого большого количества тепла является одной из технических проблем при разработке тормозных систем. Дисковые тормоза основаны на трении между диском и тормозными колодками, которые прижимаются к вращающемуся диску в поперечном направлении. В барабанных тормозов, тормозные колодки или колодки прижимаются наружу против вращающегося цилиндра (тормозного барабана), чтобы создать трение. Поскольку тормозные диски охлаждаются более эффективно, чем барабаны, дисковые тормоза обладают лучшими тормозными характеристиками.
  • Адгезия к рельсам относится к сцепным колесам поезда, которые находятся на рельсах, см. Механика фрикционного контакта.
  • Скольжение на дороге - важный фактор дизайна и безопасности для автомобилей.

Измерение

  • Трибометр является инструментом, который измеряет трение на поверхности.
  • Профилограф это устройство, используемое для измерения шероховатости поверхности дорожного покрытия.

Бытовое использование

  • Трение используется для нагрева и воспламенения спичек (трение между головкой спички и трущейся поверхностью спичечной коробки).
  • Липкие подушечки используются для предотвращения скольжения предмета с гладкой поверхности за счет эффективного увеличения коэффициента трения между поверхностью и предметом.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Последняя правка сделана 2023-03-20 09:56:04
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте