Сила сухого трения играет важную роль в механике движения твердых тел. Она возникает при контакте шероховатых поверхностей и препятствует их относительному перемещению. Рассмотрим подробнее природу и свойства этого явления.
Причины возникновения сухого трения
Основными причинами возникновения силы сухого трения являются:
- Шероховатость поверхностей трущихся тел. Даже самые гладкие поверхности при большом увеличении имеют микронеровности.
- Молекулярное взаимодействие между трущимися телами. Это силы межмолекулярного взаимодействия, сцепления и адгезии.
В результате этих факторов силы сухого трения всегда направлены по касательной к поверхностям контакта и препятствуют относительному движению.
Виды сухого трения
Различают три основных вида сухого трения:
- Трение покоя.
- Трение скольжения.
- Трение качения.
Рассмотрим их последовательно.
Трение покоя
Трение покоя возникает между телами, находящимися в относительном покое. Это максимально возможная сила трения для данной пары тел и условий контакта.
Модуль силы трения покоя Фтр.пок подчиняется закону Кулона:
Фтр.пок = μ·N
где μ - коэффициент трения покоя, N - сила нормального давления одного тела на другое.
Коэффициент трения μ зависит от материалов и качества обработки соприкасающихся поверхностей. Чем выше шероховатость, тем больше коэффициент трения и сила трения покоя.
Трение скольжения
При относительном скольжении тел возникает сила сухого трения. Она направлена вдоль поверхности контакта противоположно вектору относительной скорости.
При небольших скоростях скольжения сила трения скольжения приблизительно равна силе трения покоя для этих же тел:
Фтр.ск = Фтр.пок = μ·N
Однако с ростом относительной скорости сила трения скольжения обычно возрастает, стремясь ограничить скорость.
Трение качения
При качении одного тела по поверхности другого возникает трение качения. Оно значительно меньше, чем трение скольжения для тех же условий.
На практике трение качения часто пренебрежимо мало по сравнению с другими силами сопротивления.
Закон сухого трения
Основные закономерности сухого трения, выявленные экспериментально, можно суммировать в виде закона сухого трения:
- Сила трения не зависит от площади фактического контакта тел и определяется качеством обработки поверхности.
- Сила трения пропорциональна силе нормального давления тел друг на друга.
- Сила трения не зависит от относительной скорости при малых скоростях скольжения.
Эти закономерности позволяют с достаточной для практики точностью рассчитывать силы и работу сухого трения в различных механизмах и конструкциях.
Роль трения в технике
Сила трения может как препятствовать движению, так и обеспечивать сцепление и передачу движения от одних элементов механизмов к другим.
Например, благодаря трению происходит отталкивание ног при ходьбе, вращение колес автомобиля при его движении, передача усилия в редукторах и т.д.
Поэтому конструкторы стремятся оптимизировать трение в механизмах и узлах трения, обеспечив нужный баланс между сцеплением, герметичностью, износостойкостью и КПД.
Роль смазочных материалов
Для уменьшения трения и износа в узлах трения механизмов используют смазочные материалы - масла, консистентные смазки, твердые смазочные покрытия.
Смазочный слой разделяет трущиеся поверхности, превращая сухое трение в жидкостное или полужидкостное. Это позволяет снизить коэффициент трения и интенсивность изнашивания деталей.
Методы снижения трения
Для уменьшения потерь на трение в машинах и механизмах применяют различные методы:
- Использование подшипников качения вместо скольжения;
- Применение пластичных смазочных материалов;
- Высокоточная механическая обработка сопрягаемых поверхностей;
- Нанесение износостойких покрытий.
Эти методы позволяют снизить силу трения в десятки и сотни раз!
Триботехника как наука о трении
Изучением закономерностей трения, изнашивания и смазки занимается специальная отрасль знаний - триботехника.
Она включает трибологию - науку о трении, трибохимию и трибофизику. На основе этих знаний создаются новые технологии для снижения трения в машинах и приборах.
Благодаря достижениям триботехники, коэффициент полезного действия многих механизмов вырос в разы за последние десятилетия.
Перспективные направления исследований
Несмотря на многочисленные исследования, до конца понять природу трения и предсказать коэффициент трения пока не удается.
Поэтому интенсивно развиваются такие направления как:
- Молекулярно-механическое моделирование процессов трения;
- Создание новых наноструктурированных трибоматериалов;
- Управление трением с помощью электрических и магнитных полей.
Решение этих фундаментальных и прикладных задач позволит вывести качество и надежность машин на принципиально новый уровень.
Развитие нанотрибологии
Одним из перспективных направлений в изучении трения является нанотрибология. Она изучает процессы, происходящие между трущимися поверхностями на наноуровне.
С помощью современных методов визуализации удается непосредственно наблюдать взаимодействие отдельных атомов и молекул на границе раздела трущихся тел.
Полученные фундаментальные знания позволяют на атомном уровне контролировать и управлять процессами трения и изнашивания материалов.
Применение нанопокрытий
На основе достижений нанотрибологии создаются новые износостойкие покрытия толщиной в несколько нанометров.
Такие покрытия значительно уменьшают коэффициент трения и снижают интенсивность изнашивания деталей машин и инструментов.
Например, нитридные, алмазоподобные и другие нанопокрытия повышают ресурс бытовой и промышленной техники в несколько раз.
Создание новых трибоматериалов
Интенсивно разрабатываются композиционные материалы и гибридные покрытия с улучшенными фрикционными характеристиками.
Они включают различные наполнители нано- и микроразмера - алмазы, дисульфид молибдена, диселенид вольфрама, политетрафторэтилен и др.
Такие материалы совмещают низкий коэффициент трения с высокой износостойкостью и термостойкостью.
Компьютерное моделирование
Перспективным подходом для исследования и прогнозирования свойств фрикционных материалов является компьютерное моделирование.
С помощью современных высокопроизводительных вычислительных мощностей стало возможным моделировать процессы трения с участием сотен миллионов частиц.
Такие расчеты позволяют оптимизировать проектирование узлов трения и смазочных материалов для них.
