Коэффициент трения при скольжении и качении
05.12.2017
В земных условиях любые движущиеся тела (или приходящие в движение) соприкасаются с веществом окружающей среды либо с другими телами. При этом возникают силы, оказывающие сопротивление их движению. Силы эти именуются силами трения, они переводят часть механической энергии движения во внутреннюю энергию, что сопровождается нагреванием тел и окружающей среды.
Трение бывает внешним и внутренним. Внутреннее (иначе называемое вязкостью) заключается в возникновении касательной силы между перемещающимися слоями жидкость или газа, мешающей этому перемещению.
В отличие от него, внешнее трение возникает в местах контакта твердых тел в виде силы, касательной к их поверхности и затрудняющей их взаимное перемещение. Оно, в свою очередь, подразделяется на статическое (трение покоя) и кинематическое. Статическое трение проявляется при попытке сдвинуть одно неподвижное тело относительно другого. Кинематическое существует между движущимися телами, соприкасающимися между собой. Внешнее трение можно разделить на трение скольжения и качения.
В чем физический смысл трения? Полезно оно или вредно? На первый взгляд, трение только мешает нам: изнашиваются детали механизмов, шины автомобилей, стираются подошвы ботинок и т. д. И создание вечного двигателя невозможно лишь по этой причине. Но приглядимся повнимательнее. Исчезнет трение – мы не сможем ни шагать, ни листать книгу, ни тронуть с места автомобиль, ни остановить движущийся. Огромное число физических явлений в мире базируется на трении. Два главных достижения человечества, определивших развитие цивилизации – добыча огня и изобретение колеса – были бы без него невозможны.
Основано данное явление на неровности любых тел: при соприкосновении зазубрины одного всегда цепляются за шероховатости другого. Для идеально гладких (например, тщательно отшлифованных) поверхностей, плотно прилегающих друг к другу, действуют законы молекулярного трения, основанного на взаимном притяжении молекул.
Изучает трение наука трибология. В 1781 году французским физиком Ш. Кулоном были сформулированы основные законы сухого трения. Опытным путем ученый установил, что сила трения F, возникающая при скольжении, прямо пропорциональна действующей на тело силе N нормального давления. Эта зависимость выглядит следующим образом:
N : F = k ∙ N;
где величина k – коэффициент трения (коэффициент пропорциональности). Его величина была вычислена так: тело помещалось на наклонную плоскость и путем изменения угла наклона достигалось его равномерное движение. При этом сила трения F равнялась движущей силе P :
F = P ∙ sin a;
Величина силы N (силы нормального давления) равна P ∙ cos a; следовательно k = tg a. Коэффициент трения отсюда является тангенсом угла наклона поверхности, по которой тело скользит равномерно, т. е. с постоянной скоростью.
На практике его значение может быть вычислено лишь приблизительно. Поверхности тел, как правило, в той или иной степени загрязнены, имеют окислы, ржавчину и другие включения. Коэффициент трения, определяемый попарно для сочетаний различных материалов путем экспериментов, вносится в специальные справочные таблицы.
При качении трение возникает оттого, что движущееся колесо слегка вдавливается в дорожную поверхность, т. е. вынуждено преодолевать небольшой бугорок. Чем тверже дорога, тем меньше этот бугорок и меньше сила трения. Ее величина рассчитывается в данном случае формулой: F = k ∙ N / r, в которой r – величина радиуса колеса. Следовательно, коэффициент трения качения обладает размерностью протяженности. Обычно его выражают в сантиметрах в отличие от коэффициента трения скольжения, являющегося безразмерной величиной.
Как упоминалось выше, коэффициент внутреннего трения существует не только для твердых тел, но и для жидкостей. В гидравлике часто требуется рассчитать потери удельной энергии гидравлических систем, возникающие в трубопроводах. Они бывают двух видов: потери по длине, возникающие в прямых трубах при равномерном течении, и местные потери, причина которых – деформация потока из-за изменения формы канала (сужение, расширение, повороты). Гидравлические потери рассчитывают с помощью аналогичной величины, которая называется «коэффициент гидравлического трения».