Твердые поверхности подвергаются двум типам трения: статическому трению и кинетическому трению. Статическое трение действует, когда поверхности неподвижны — представьте себе коробку на полу. Статическое трение — это то, что удерживает коробку от перемещения без толчка, и его необходимо преодолеть с помощью достаточной силы противодействия, прежде чем коробка начнет двигаться. Кинетическое трение (также называемое динамическим трением) — это сила, которая сопротивляется относительному перемещению поверхностей как только они придут в движение.

Статическое трение между двумя поверхностями всегда выше, чем кинетическое трение (по крайней мере, в практических приложениях реального мира). Но почему это так? Чтобы выяснить это, давайте рассмотрим причины, стоящие за каждым типом трения.

Существует несколько теорий относительно причин статического трения, и, как и большинство концепций, связанных с трением, каждая из них оказывается верной при одних условиях, но терпит неудачу при других обстоятельствах. Для реальных применений (особенно тех, которые связаны с промышленным оборудованием и управлением движением) две наиболее широко принятые теории, лежащие в основе статического трения, связаны с микроскопической шероховатостью поверхностей.

Независимо от того, насколько “идеально” обработана, отделана и очищена поверхность, она неизбежно будет иметь неровности — по сути, “шероховатость”, состоящую из пиков и впадин, очень похожую на горный хребет. (Технически “пики” — это неровности.) Когда две поверхности соприкасаются, может показаться, что у них большая, четко очерченная площадь соприкосновения, но на самом деле контакт происходит только в определенных местах — то есть там, где неровности обеих поверхностей пересекаются. Сумма этих небольших площадей соприкосновения между неровностями называется “реальной” или “эффективной” площадью соприкосновения.

Поскольку эти отдельные зоны контакта очень малы, давление (давление = сила÷ площадь) между поверхностями в этих точках очень велико. Это экстремальное давление обеспечивает адгезию между поверхностями с помощью процесса, известного как холодная сварка, который происходит на молекулярном уровне. Прежде чем поверхности смогут перемещаться относительно друг друга, связи, которые вызывают это сцепление, должны быть разорваны.

Кроме того, шероховатость поверхностей означает, что в некоторых местах неровности одной поверхности будут переходить во впадины другой поверхности — другими словами, поверхности будут соприкасаться. Эти сцепленные участки должны быть разрушены или пластически деформированы, прежде чем поверхности смогут двигаться. Другими словами, должно произойти истирание.

Итак, в большинстве приложений, статическое трение вызвано как адгезией, так и истиранием контактирующих поверхностей.

Преодоление статического трения между двумя поверхностями по существу устраняет как молекулярные препятствия (холодная сварка между неровностями), так и, в некоторой степени, механические препятствия (взаимодействие между неровностями и впадинами поверхностей) для перемещения. Как только начинается движение, некоторое истирание продолжает происходить, но на гораздо более низком уровне, чем при статическом трении. А относительная скорость между поверхностями обеспечивает недостаточное время для проведения дополнительной холодной сварки (за исключением случаев чрезвычайно низкой скорости).

Поскольку большая часть адгезии и истирания преодолевается для обеспечения движения, сопротивление движению между поверхностями уменьшается, и теперь поверхности движутся под действием кинетического трения, которое намного ниже, чем статическое трение.

Трение — невероятно сложная сила, которая проявляется по-разному в различных условиях, что затрудняет ее выражение в терминах физических законов и математических уравнений. Однако существуют три предположения относительно трения, которые применимы в большинстве реальных ситуаций:

Вы могли бы заметить, что предположение № 2 (трение не зависит от площади контакта), по-видимому, противоречит представленной ранее идее о том, что, поскольку точки соприкосновения между неровностями очень малы, давление между поверхностями высокое и возникает адгезия (посредством холодной сварки), что увеличивает трение. Но обратите внимание, что предположение № 2 определяет “видимую” область контакта.

Используя приведенный выше пример с коробкой: Предположим, вы перемещаете содержимое коробки в другую коробку большего размера. Масса (и, следовательно, нормальная сила) не изменилась, но видимая площадь контакта стала больше. Несмотря на большую видимую площадь контакта, сила трения остается прежней, как и предсказывалось предположением № 2.

Обратите внимание, что приведенное выше обсуждение относится к несмазанным поверхностям скольжения. Теоретически поверхности качения, подобные тем, которые имеются в большинстве поворотных и линейных подшипников (за исключением подшипников скольжения), не должны сталкиваться с силами трения. Но в реальных приложениях трение на поверхностях качения вызывается тремя факторами: