Твердые поверхности подвержены трению двух типов: статическому и кинетическому. Статическое трение возникает, когда поверхности неподвижны — представьте себе коробку на полу. Статическое трение — это то, что не позволяет коробке двигаться 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 препятствует относительному перемещению поверхностей как только они придут в движение.
Статическое трение между двумя поверхностями всегда выше кинетического трения (по крайней мере, в практических приложениях). Но почему это так? Чтобы выяснить, давайте рассмотрим причины, стоящие за каждым типом трения.
Существует несколько теорий, касающихся 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. В реальных приложениях (особенно в тех, которые связаны с промышленным оборудованием и управлением движением) две наиболее распространенные теории, лежащие в основе статического трения, связаны с микроскопической шероховатостью поверхностей.
Независимо от того, насколько “идеально” обработана, обработана и очищена поверхность, она неизбежно будет иметь неровности — по сути, “шероховатость”, состоящую из пиков и впадин, очень похожих на горный хребет. (Технически “пики” — это неровности). Когда две поверхности соприкасаются, может показаться, что они имеют большую, четко очерченную площадь соприкосновения, но на самом деле соприкосновение происходит только в определенных местах, то есть там, где неровности обеих поверхностей пересекаются. Сумма этих небольших площадей соприкосновения между выступами называется “реальной” или “эффективной” площадью соприкосновения.
Поскольку эти отдельные участки контакта очень малы, давление (давление = усилие÷ площадь) между поверхностями в этих точках очень велико. Это экстремальное давление обеспечивает адгезию между поверхностями посредством процесса, известного как холодная сварка, который происходит на молекулярном уровне. Прежде чем поверхности смогут перемещаться относительно друг друга, необходимо разорвать связи, которые обеспечивают эту адгезию.
Кроме того, шероховатость поверхностей означает, что в некоторых местах неровности одной поверхности переходят во впадины другой поверхности — другими словами, поверхности сцепляются. Эти сцепленные участки должны быть разрушены или подвергнуты пластической деформации, прежде чем поверхности смогут перемещаться. Другими словами, должно произойти истирание.
Таким образом, 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 выступами), так и, в некоторой степени, механические препятствия (взаимодействие между выступами и впадинами поверхностей) для перемещения. После начала движения некоторое истирание продолжается, но на гораздо меньшем уровне, чем при трении в статическом режиме. А относительная скорость между поверхностями обеспечивает недостаточное время для проведения дополнительной холодной сварки (за исключением случаев с чрезвычайно низкой скоростью).
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 — это невероятно сложная сила, которая проявляется по-разному в различных условиях, что затрудняет ее выражение в терминах физических законов и математических уравнений. Однако в отношении трения существуют три допущения, которые применимы в большинстве ситуаций реального мира:
Вы можете заметить, что предположение № 2 (трение не зависит от площади контакта), по-видимому, противоречит представленной ранее идее о том, что, поскольку точки соприкосновения между шероховатостями 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 переместили содержимое коробки в другую коробку, занимающую большую площадь. Масса (и, следовательно, нормальное усилие) не изменились, но видимая площадь контакта увеличилась. 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, такие как те, которые используются в большинстве подшипников вращения и линейных опор (за исключением подшипников скольжения), не должны испытывать сил трения. Однако в реальных условиях эксплуатации трение на поверхностях качения возникает из-за трех факторов:
Вам также может понравиться:
Свежие комментарии