Трение

Чтобы узнать о других значениях, см. Трение (значения) .

Трение между двумя объектами. Синий имеет большее трение о наклонную поверхность, чем зеленый.

Simulated blocks with fractal rough surfaces, exhibiting static frictional interactions

Трение — это сила, противодействующая относительному движению твердых поверхностей, слоев жидкости и материальных элементов, скользящих друг против друга. Типы трения включают сухое, жидкое, смазанное, кожное и внутреннее.

Трение может иметь драматические последствия, о чем свидетельствует использование трения, возникающего при трении кусков дерева друг о друга для разжигания огня . Кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию всякий раз, когда происходит движение с трением, например, при вязкой перемешивании жидкости. Еще одним важным последствием многих типов трения может быть износ , который может привести к ухудшению производительности или повреждению компонентов.

Трение — неконсервативная сила : работа, совершаемая против трения, зависит от пути. При наличии трения некоторая кинетическая энергия всегда преобразуется в тепловую, поэтому механическая энергия не сохраняется. Трение само по себе не является фундаментальной силой . Сухое трение возникает в результате сочетания межповерхностного сцепления, шероховатости поверхности, поверхностной деформации и загрязнения поверхности. Сложность этих взаимодействий затрудняет расчет трения на основе первых принципов , и часто проще использовать эмпирические методы для анализа и разработки теории.

Типы

Существует несколько видов трения:

• Сухое трение — это сила, которая противодействует относительному боковому движению двух соприкасающихся твердых поверхностей. Сухое трение подразделяется на статическое трение (« прилипание ») между неподвижными поверхностями и кинетическое трение между движущимися поверхностями. За исключением атомного или молекулярного трения, сухое трение обычно возникает в результате взаимодействия элементов поверхности, известных как неровности (см. Рисунок).
• Жидкостное трение описывает трение между слоями вязкой жидкости, которые движутся относительно друг друга.

• Трение со смазкой — это случай жидкостного трения, когда смазочная жидкость разделяет две твердые поверхности.

• Кожное трение — это компонент сопротивления , силы, противодействующей движению жидкости по поверхности тела.
• Внутреннее трение — это сила, препятствующая движению между элементами, составляющими твердый материал, когда он подвергается деформации .

History

Many ancient authors including Aristotle, Vitruvius, and Pliny the Elder, were interested in the cause and mitigation of friction. They were aware of differences between static and kinetic friction with Themistius stating in 350 A.D. that "it is easier to further the motion of a moving body than to move a body at rest".

The classic laws of sliding friction were discovered by Leonardo da Vinci in 1493, a pioneer in tribology, but the laws documented in his notebooks were not published and remained unknown. These laws were rediscovered by Guillaume Amontons in 1699 and became known as Amonton's three laws of dry friction. Amontons presented the nature of friction in terms of surface irregularities and the force required to raise the weight pressing the surfaces together. This view was further elaborated by Bernard Forest de Bélidor and Leonhard Euler (1750), who derived the angle of repose of a weight on an inclined plane and first distinguished between static and kinetic friction.John Theophilus Desaguliers (1734) first recognized the role of adhesion in friction. Microscopic forces cause surfaces to stick together; he proposed that friction was the force necessary to tear the adhering surfaces apart.

The understanding of friction was further developed by Charles-Augustin de Coulomb (1785). Coulomb investigated the influence of four main factors on friction: the nature of the materials in contact and their surface coatings; the extent of the surface area; the normal pressure (or load); and the length of time that the surfaces remained in contact (time of repose). Coulomb further considered the influence of sliding velocity, temperature and humidity, in order to decide between the different explanations on the nature of friction that had been proposed. The distinction between static and dynamic friction is made in Coulomb's friction law (see below), although this distinction was already drawn by Johann Andreas von Segner in 1758.The effect of the time of repose was explained by Pieter van Musschenbroek (1762) by considering the surfaces of fibrous materials, with fibers meshing together, which takes a finite time in which the friction increases.

John Leslie (1766–1832) noted a weakness in the views of Amontons and Coulomb: If friction arises from a weight being drawn up the inclined plane of successive asperities, why then isn't it balanced through descending the opposite slope? Leslie was equally skeptical about the role of adhesion proposed by Desaguliers, which should on the whole have the same tendency to accelerate as to retard the motion. In Leslie's view, friction should be seen as a time-dependent process of flattening, pressing down asperities, which creates new obstacles in what were cavities before.

Duration: 1 minute and 22 seconds.1:22

Heat by friction captured by a thermal camera

In the long course of the development of the law of conservation of energy and of the first law of thermodynamics, friction was recognised as a mode of conversion of mechanical work into heat. In 1798, Benjamin Thompson reported on cannon boring experiments.

Arthur Jules Morin (1833) developed the concept of sliding versus rolling friction.

In 1842, Julius Robert Mayer frictionally generated heat in paper pulp and measured the temperature rise. In 1845, Joule published a paper entitled The Mechanical Equivalent of Heat, in which he specified a numerical value for the amount of mechanical work required to "produce a unit of heat", based on the friction of an electric current passing through a resistor, and on the friction of a paddle wheel rotating in a vat of water.

Osborne Reynolds (1866) derived the equation of viscous flow. This completed the classic empirical model of friction (static, kinetic, and fluid) commonly used today in engineering. In 1877, Fleeming Jenkin and J. A. Ewing investigated the continuity between static and kinetic friction.

In 1907, G.H. Bryan published an investigation of the foundations of thermodynamics, Thermodynamics: an Introductory Treatise dealing mainly with First Principles and their Direct Applications. He noted that for a driven hard surface sliding on a body driven by it, the work done by the driver exceeds the work received by the body. The difference is accounted for by heat generated by friction. Over the years, for example in his 1879 thesis, but particularly in 1926, Planck advocated regarding the generation of heat by rubbing as the most specific way to define heat, and the prime example of an irreversible thermodynamic process.

The focus of research during the 20th century has been to understand the physical mechanisms behind friction. Frank Philip Bowden and David Tabor (1950) showed that, at a microscopic level, the actual area of contact between surfaces is a very small fraction of the apparent area. This actual area of contact, caused by asperities increases with pressure. The development of the atomic force microscope (ca. 1986) enabled scientists to study friction at the atomic scale, showing that, on that scale, dry friction is the product of the inter-surface shear stress and the contact area. These two discoveries explain Amonton's first law (below); the macroscopic proportionality between normal force and static frictional force between dry surfaces.

Laws of dry friction

The elementary property of sliding (kinetic) friction were discovered by experiment in the 15th to 18th centuries and were expressed as three empirical laws:

• Amontons' First Law: The force of friction is directly proportional to the applied load.
• Amontons' Second Law: The force of friction is independent of the apparent area of contact.
• Coulomb's Law of Friction: Kinetic friction is independent of the sliding velocity.

Dry friction

Dry friction resists relative lateral motion of two solid surfaces in contact. The two regimes of dry friction are 'static friction' ("stiction") between non-moving surfaces, and kinetic friction (sometimes called sliding friction or dynamic friction) between moving surfaces.

Coulomb friction, named after Charles-Augustin de Coulomb, is an approximate model used to calculate the force of dry friction. It is governed by the model:$$F_{\mathrm {f} }\leq \mu F_{\mathrm {n} },$$where

• $F_{\mathrm {f} }$ is the force of friction exerted by each surface on the other. It is parallel to the surface, in a direction opposite to the net applied force.
• $\mu$ is the coefficient of friction, which is an empirical property of the contacting materials,
• $F_{\mathrm {n} }$ is the normal force exerted by each surface on the other, directed perpendicular (normal) to the surface.

The Coulomb friction $F_{\mathrm {f} }$ may take any value from zero up to $\mu F_{\mathrm {n} }$, and the direction of the frictional force against a surface is opposite to the motion that surface would experience in the absence of friction. Thus, in the static case, the frictional force is exactly what it must be in order to prevent motion between the surfaces; it balances the net force tending to cause such motion. In this case, rather than providing an estimate of the actual frictional force, the Coulomb approximation provides a threshold value for this force, above which motion would commence. This maximum force is known as traction.

The force of friction is always exerted in a direction that opposes movement (for kinetic friction) or potential movement (for static friction) between the two surfaces. For example, a curling stone sliding along the ice experiences a kinetic force slowing it down. For an example of potential movement, the drive wheels of an accelerating car experience a frictional force pointing forward; if they did not, the wheels would spin, and the rubber would slide backwards along the pavement. Note that it is not the direction of movement of the vehicle they oppose, it is the direction of (potential) sliding between tire and road.

Normal force

Схема свободного тела блока на пандусе. Стрелки — это векторы, указывающие направления и величины сил. N — нормальная сила, mg — сила тяжести , F f _— сила трения.

Main article: Normal force

The normal force is defined as the net force compressing two parallel surfaces together, and its direction is perpendicular to the surfaces. In the simple case of a mass resting on a horizontal surface, the only component of the normal force is the force due to gravity, where $N=mg\,$. In this case, conditions of equilibrium tell us that the magnitude of the friction force is zero, $F_{f}=0$. In fact, the friction force always satisfies $F_{f}\leq \mu N$, with equality reached only at a critical ramp angle (given by $\tan ^{-1}\mu$) that is steep enough to initiate sliding.

Коэффициент трения — это эмпирическое (экспериментально измеренное) структурное свойство, которое зависит только от различных аспектов контактирующих материалов, таких как шероховатость поверхности. Коэффициент трения не является функцией массы или объема. Например, большой алюминиевый блок имеет такой же коэффициент трения, как и маленький алюминиевый блок. Однако сама величина силы трения зависит от нормальной силы, а значит, и от массы бруска.

В зависимости от ситуации расчет нормальной силы $N$ может включать в себя силы, отличные от гравитации. Если объект находится на ровной поверхности и подвергается воздействию внешней силы $P$ стремится заставить его скользить, то нормальная сила между объектом и поверхностью равна $N=mg+P_{y}$, где $mg$ вес блока и $P_{y}$ – нисходящая составляющая внешней силы. До скольжения эта сила трения равна $F_{f}=-P_{x}$, где $P_{x}$ – горизонтальная составляющая внешней силы. Таким образом, $F_{f}\leq \mu N$ в общем. Скольжение начинается только после того, как эта сила трения достигнет значения $F_{f}=\mu N$. До тех пор трение — это то, чем оно должно быть для обеспечения равновесия, поэтому его можно рассматривать как просто реакцию.

Если объект находится на наклонной поверхности, например, на наклонной плоскости, нормальная сила тяжести меньше, чем $mg$, потому что меньшая часть силы тяжести перпендикулярна грани плоскости. Нормальная сила и сила трения в конечном итоге определяются с помощью векторного анализа, обычно с помощью диаграммы свободного тела .

В общем, процесс решения любой статической задачи с трением заключается в предварительном рассмотрении контактирующих поверхностей как неподвижных, чтобы можно было рассчитать соответствующую касательную силу реакции между ними. Если эта сила реакции трения удовлетворяет $F_{f}\leq \mu N$, то предварительное предположение верно и это и есть действительная сила трения. В противном случае силу трения следует положить равной $F_{f}=\mu N$, и тогда результирующий дисбаланс сил будет определять ускорение, связанное со скольжением.

Коэффициент трения

См. Также: Коэффициент тяги.

Коэффициент трения (COF), часто обозначаемый греческой буквой μ , представляет собой безразмерную скалярную величину, которая равна отношению силы трения между двумя телами и силы, сжимающей их вместе во время или в начале скольжения. Коэффициент трения зависит от используемых материалов; например, лед на стали имеет низкий коэффициент трения, а резина на асфальте имеет высокий коэффициент трения. Коэффициенты трения варьируются от почти нуля до больше единицы. Коэффициент трения между двумя поверхностями из одинаковых металлов больше, чем между двумя поверхностями из разных металлов; например, латунь имеет более высокий коэффициент трения при движении по латуни, но меньший, если при движении по стали или алюминию.

Для поверхностей, покоящихся относительно друг друга, $\mu =\mu _{\mathrm {s} }$, где $\mu _{\mathrm {s} }$ – коэффициент статического трения . Обычно это больше, чем его кинетический аналог. Коэффициент статического трения, проявляемый парой контактирующих поверхностей, зависит от совокупного влияния характеристик деформации материала и шероховатости поверхности , оба из которых возникают в результате химической связи между атомами в каждом из объемных материалов, а также между поверхностями материала и любыми адсорбированный материал . поверхностей Известно, что фрактальность , параметр, описывающий масштабное поведение неровностей поверхности, играет важную роль в определении величины статического трения.

Для поверхностей, находящихся в относительном движении $\mu =\mu _{\mathrm {k} }$, где $\mu _{\mathrm {k} }$ – коэффициент кинетического трения . Кулоновское трение равно $F_{\mathrm {f} }$, причем сила трения на каждой поверхности действует в направлении, противоположном ее движению относительно другой поверхности.

Артур Морин ввел этот термин и продемонстрировал полезность коэффициента трения. Коэффициент трения является эмпирическим измерением   :   его необходимо измерять экспериментально , и его нельзя найти путем расчетов. Более шероховатые поверхности, как правило, имеют более высокие эффективные значения. Как статические, так и кинетические коэффициенты трения зависят от пары контактирующих поверхностей; для данной пары поверхностей коэффициент статического трения обычно больше, чем коэффициент 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 за пределами этого диапазона встречаются реже, но тефлон , например, может иметь коэффициент всего 0,04. Нулевое значение будет означать полное отсутствие трения, а это неуловимое свойство. Резина, контактирующая с другими поверхностями, может давать коэффициенты трения от 1 до 2. Иногда утверждается, что μ всегда < 1, но это не так. Хотя в большинстве соответствующих приложений μ < 1, значение выше 1 просто означает, что сила, необходимая для скольжения объекта по поверхности, больше, чем нормальная сила поверхности, действующая на объект. Например, поверхности, покрытые силиконовым каучуком или акриловым каучуком, имеют коэффициент трения, который может существенно превышать 1.

Хотя часто утверждается, что COF является «материальной собственностью», его лучше отнести к категории «системного свойства». В отличие от истинных свойств материала (таких как проводимость, диэлектрическая проницаемость, предел текучести), коэффициент трения для любых двух материалов зависит от переменных системы, таких как температура , скорость , атмосфера , а также от того, что сейчас обычно называют временем старения и старения; а также от геометрических свойств границы раздела материалов, а именно структуры поверхности . Например, медный штифт, скользящий по толстой медной пластине, может иметь коэффициент трения, который варьируется от 0,6 на низких скоростях (скольжение металла по металлу) до менее 0,2 на высоких скоростях, когда поверхность меди начинает плавиться из-за фрикционного нагрева. Последняя скорость, конечно, не определяет центр тяжести однозначно; если диаметр штифта увеличивается так, что фрикционный нагрев быстро устраняется, температура падает, штифт остается твердым, а коэффициент трения возрастает до значения, при котором происходит испытание на «низкой скорости».

В системах со значительными неоднородными полями напряжений, поскольку локальное скольжение происходит до скольжения системы, макроскопический коэффициент статического трения зависит от приложенной нагрузки, размера или формы системы; Закон Амонтона не выполняется макроскопически.

Приблизительные коэффициенты трения

Материалы		Статическое трение, $\mu _{\mathrm {s} }$		Кинетическое/Трение скольжения, $\mu _{\mathrm {k} }\,$
		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
Серебро	Серебро	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	Стекло	0.68		0.53
Медь	Сталь	0.53		0.36	0.18
Стекло	Стекло	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
ПТФЭ (Тефлон)	ПТФЭ (Тефлон)	0.04	0.04		0.04
Сталь	Лед	0.03
Сталь	ПТФЭ (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, коэффициент трения которого может быть ниже 0,01. Этот режим сверхнизкого трения называется сверхсмазывающей способностью .

Статическое трение

Когда масса не движется, объект испытывает статическое трение. Трение увеличивается по мере увеличения приложенной силы, пока блок не начнет двигаться. После перемещения блока он испытывает кинетическое трение, которое меньше максимального статического трения.

Основная статья: Стикшн

Статическое трение — это трение между двумя или более твердыми объектами, неподвижными относительно друг друга. Например, статическое трение может предотвратить скольжение объекта по наклонной поверхности. Коэффициент статического трения, обычно обозначаемый как µs _, обычно выше коэффициента кинетического трения. Считается, что статическое трение возникает в результате особенностей шероховатости поверхности на разных масштабах длины твердых поверхностей. Эти особенности, известные как неровности, присутствуют вплоть до наноразмеров 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 в результате деформации неровностей, приводит к линейности между статической силой трения и нормальной силой, обнаруженной для типичного трения типа Амонтона – Кулона.

Сила статического трения должна быть преодолена приложенной силой, прежде чем объект сможет двигаться. Максимально возможная сила трения между двумя поверхностями до начала скольжения равна произведению коэффициента статического трения и нормальной силы: $F_{\text{max}}=\mu _{\mathrm {s} }F_{\text{n}}$. Когда скольжения не происходит, сила трения может иметь любое значение от нуля до $F_{\text{max}}$. Любая сила, меньшая $F_{\text{max}}$ Попытке скольжения одной поверхности по другой противостоит сила трения равной величины и противоположного направления. Любая сила, превышающая $F_{\text{max}}$ преодолевает силу статического трения и вызывает скольжение. Происходит мгновенное скольжение, статическое трение больше не применимо — трение между двумя поверхностями тогда называется кинетическим трением. Однако кажущееся статическое трение можно наблюдать даже в том случае, когда истинное статическое трение равно нулю.

Примером статического трения является сила, которая препятствует скольжению колеса автомобиля при его катке по земле. Несмотря на то, что колесо находится в движении, участок шины, контактирующий с землей, неподвижен относительно земли, поэтому трение является статическим, а не кинетическим. При пробуксовке трение колеса меняется на кинетическое трение. Антиблокировочная тормозная система работает по принципу, позволяющему заблокированному колесу возобновить вращение, чтобы автомобиль сохранял статическое трение.

Максимальное значение статического трения, когда движение приближается, иногда называют предельным 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 сани по земле). Коэффициент кинетического трения обычно обозначается как μ _k и обычно меньше, чем коэффициент статического трения для тех же материалов. Однако Ричард Фейнман отмечает, что «с сухими металлами очень трудно увидеть какую-либо разницу». Сила трения между двумя поверхностями после начала скольжения представляет собой произведение коэффициента кинетического трения и нормальной силы: $F_{k}=\mu _{\mathrm {k} }F_{n}$. отвечает за кулоновское затухание колебательной вибрирующей или Это системы.

Новые модели начинают показывать, что кинетическое трение может быть больше статического трения. Во многих других случаях влияние шероховатости является доминирующим, например, при трении резины о дорогу. Шероховатость поверхности и площадь контакта влияют на кинетическое трение для объектов микро- и наномасштаба, где силы площади поверхности доминируют над силами инерции.

Происхождение кинетического трения на наноуровне можно объяснить с помощью энергетической модели. Во время скольжения в задней части истинного контакта скольжения образуется новая поверхность, а в передней части существующая поверхность исчезает. 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, для перемещения задней части контакта требуется сила, а спереди выделяется тепло от трения.

Угол трения θ , когда блок только начинает скользить.

Угол трения

Максимальный угол статического трения между сыпучими материалами см. в разделе « Угол естественного откоса» .

В некоторых случаях более полезно определять статическое трение как максимальный угол, при котором один из предметов начнет скользить. Это называется углом трения или углом трения . Он определяется как: $$\tan {\theta }=\mu _{\mathrm {s} }$$и таким образом: $$\theta =\arctan {\mu _{\mathrm {s} }}$$где $\theta$ – угол от горизонтали, а μ _s – статический коэффициент трения между объектами. Эту формулу также можно использовать для расчета мкс _{на основе} эмпирических измерений угла трения.

Трение на атомном уровне

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

Ограничения модели Кулона

Кулоновское приближение следует из предположений, что: поверхности находятся в атомно тесном контакте только на небольшой части их общей площади; что эта площадь контакта пропорциональна нормальной силе (до насыщения, которое происходит, когда вся площадь находится в атомном контакте); и что сила трения пропорциональна приложенной нормальной силе независимо от площади контакта. Кулоновское приближение по своей сути является эмпирической конструкцией. Это практическое правило, описывающее приблизительный результат чрезвычайно сложного физического взаимодействия. Сильная сторона аппроксимации – ее простота и универсальность. Хотя связь между нормальной силой и силой трения не совсем линейна (и поэтому сила трения не полностью независима от площади контакта поверхностей), кулоновское приближение является адекватным представлением трения для анализа многих физических систем.

Когда поверхности соединены, кулоновское трение становится очень плохим приближением (например, клейкая лента сопротивляется скольжению даже при отсутствии нормальной силы или отрицательной нормальной силы). При этом сила трения может сильно зависеть от площади контакта. некоторые шины для дрэг-рейсинга По этой причине являются клейкими. Однако, несмотря на сложность фундаментальной физики трения, эти соотношения достаточно точны, чтобы быть полезными во многих приложениях.

«Отрицательный» коэффициент трения

По состоянию на 2012 год , единственное исследование продемонстрировало возможность эффективного отрицательного коэффициента трения в режиме низкой нагрузки , а это означает, что уменьшение нормальной силы приводит к увеличению трения. Это противоречит повседневному опыту, согласно которому увеличение нормальной силы приводит к увеличению трения. Об этом сообщалось в журнале Nature в октябре 2012 года, и речь шла о трении, с которым сталкивается игла атомно-силового микроскопа при протаскивании по листу графена в присутствии адсорбированного графеном кислорода.

Численное моделирование модели Кулона

Несмотря на то, что модель Кулона является упрощенной моделью трения, она полезна во многих приложениях численного моделирования , таких как системы многих тел и сыпучие материалы . Даже его самое простое выражение отражает фундаментальные эффекты прилипания и скольжения, которые необходимы во многих прикладных случаях, хотя необходимо разработать специальные алгоритмы для эффективной численной интеграции механических систем с кулоновским трением и двусторонним или односторонним контактом. При кулоновском трении можно столкнуться с некоторыми весьма нелинейными эффектами , такими как так называемые парадоксы Пенлеве .

Сухое трение и нестабильность

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

Практически важным случаем является автоколебание струн смычковых инструментов, таких как скрипка , виолончель , шарманка , эрху и др.

связь между сухим трением и флаттерной неустойчивостью в простой механической системе. Обнаружена для получения более подробной информации посмотрите фильм, заархивированный 10 января 2015 г. на Wayback Machine .

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

Жидкостное трение

Основные статьи: Вязкость и сопротивление (физика)

Жидкостное трение возникает между слоями жидкости , которые движутся относительно друг друга. Это внутреннее сопротивление потоку называется вязкостью . В повседневной жизни вязкость жидкости описывается как ее «толщина». Таким образом, вода «тонкая», имеющая меньшую вязкость, а мед «густой», имеющий более высокую вязкость. Чем менее вязкая жидкость, тем легче ее деформировать или перемещать.

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

Смазанное трение

Основная статья: Смазка

Трение со смазкой — это случай жидкостного трения, когда жидкость разделяет две твердые поверхности. Смазка — это метод, используемый для уменьшения износа одной или обеих поверхностей, находящихся в непосредственной близости друг от друга, путем введения вещества, называемого смазкой, между поверхностями.

В большинстве случаев приложенная нагрузка переносится давлением, создаваемым внутри жидкости из-за фрикционного вязкого сопротивления движению смазочной жидкости между поверхностями. Адекватная смазка обеспечивает бесперебойную непрерывную работу оборудования с незначительным износом и без чрезмерных напряжений или заеданий в подшипниках. При выходе смазки из строя металлические или другие компоненты могут разрушающе тереться друг о друга, вызывая перегрев и, возможно, повреждение или выход из строя.

Трение кожи

Основная статья: Паразитарное сопротивление

Кожное трение возникает в результате взаимодействия жидкости с кожей тела и напрямую связано с площадью поверхности тела, контактирующей с жидкостью. Кожное трение подчиняется 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 такую ​​форму, чтобы было возможно плавное течение, как в случае с аэродинамическим профилем. Второй метод — максимально уменьшить длину и поперечное сечение движущегося объекта.

Внутреннее трение

Основная статья: Пластическая деформация твердых тел

Смотрите также: Деформация (техника)

Внутреннее трение — это сила, препятствующая движению между элементами, составляющими твердый материал, когда он подвергается деформации .

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

Упругая деформация твердых тел — это обратимое изменение внутренней молекулярной структуры объекта. Стресс не обязательно вызывает необратимые 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 после прекращения силы. Это известно как упругая деформация или эластичность.

Радиационное трение

В результате давления света Эйнштейн в 1909 году предсказал существование «радиационного трения», которое будет препятствовать движению материи. Он писал: «Излучение будет оказывать давление на обе стороны пластины. Силы давления, действующие на обе стороны, равны, если пластина покоится. Однако, если она находится в движении, от поверхности будет отражаться больше излучения, чем находится впереди во время движения (передняя поверхность), чем на задней поверхности. Таким образом, действующая назад сила давления, действующая на переднюю поверхность, больше, чем сила давления, действующая на заднюю поверхность. остается сила, противодействующая движению пластины и увеличивающаяся с увеличением скорости пластины. Вкратце мы назовем эту результирующую силу «радиационным трением».

Другие виды трения

Сопротивление качению

Основная статья: Сопротивление качению

Сопротивление качению — это сила, которая сопротивляется 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 составляют 0,001. Одним из наиболее распространенных примеров сопротивления качению является движение автомобильных шин по дороге — процесс, в результате которого выделяются тепло и звук . в качестве побочных продуктов

Тормозное трение

Любое колесо, оснащенное тормозом , способно создавать большую тормозящую силу, обычно с целью замедления и остановки транспортного средства или вращающегося механизма. Трение торможения отличается от трения качения, поскольку коэффициент трения качения мал, тогда как коэффициент трения торможения рассчитан на большие значения из-за выбора материалов для тормозных колодок .

Трибоэлектрический эффект

Основная статья: Трибоэлектрический эффект

Трение двух материалов друг о друга может привести к переносу заряда электронов или ионов. Требуемая для этого энергия способствует трению. Кроме того, скольжение может вызвать накопление электростатического заряда , что может быть опасно при наличии легковоспламеняющихся газов или паров. При разряде накопленного статического электричества взрывы могут быть вызваны возгоранием горючей смеси.

Трение ремня

Основная статья: Трение ремня

Трение ремня — это физическое свойство, наблюдаемое по силам, действующим на ремень, намотанный на шкив, когда тянут 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 может выдержать ремень. Это помогает разработчику такой установки знать, сколько раз ремень или веревка необходимо обернуть вокруг шкива, чтобы он не соскальзывал. Альпинисты и парусные экипажи демонстрируют стандартные знания о трении ремней при выполнении основных задач.

Снижение

Устройства

Такие устройства, как колеса, шарикоподшипники , роликовые подшипники , воздушная подушка или другие типы жидкостных подшипников, могут превратить трение скольжения в 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, поскольку коэффициент трения падает с увеличением приложенной нагрузки. Для повышения износостойкости с очень высоким молекулярным весом для подшипников, работающих в тяжелых или ответственных условиях, обычно используются марки .

Смазочные материалы

Распространенный способ уменьшить трение — использовать смазку , например масло, воду или смазку, которая помещается между двумя поверхностями, что часто значительно снижает коэффициент трения. Наука о трении и смазке называется трибологией . Технология смазочных материалов – это смешивание смазочных материалов с применением научных достижений, особенно для промышленных или коммерческих целей.

наблюдался сверхсмазывающая способность, недавно открытый эффект В графите : это существенное уменьшение трения между двумя скользящими объектами, приближающееся к нулевому уровню. Очень небольшое количество энергии трения все равно будет рассеиваться.

Смазочные материалы для преодоления трения не всегда должны представлять собой жидкие, турбулентные жидкости или порошкообразные твердые вещества, такие как графит и тальк ; акустическая смазка фактически использует звук в качестве смазки.

Другой способ уменьшить трение между двумя деталями — наложить микровибрацию 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 , никакая энергия не разрушается из-за трения, хотя она может быть потеряна в рассматриваемой системе. Энергия преобразуется из других форм в тепловую энергию. Скользящая хоккейная шайба останавливается, потому что трение преобразует ее кинетическую энергию в тепло, что увеличивает тепловую энергию шайбы и поверхности льда. Поскольку тепло быстро рассеивается, многие ранние философы, в том числе Аристотель , ошибочно пришли к выводу, что движущиеся объекты теряют энергию без движущей силы.

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

$E_{th}=\int _{C}\mathbf {F} _{\mathrm {fric} }(\mathbf {x} )\cdot d\mathbf {x} \ =\int _{C}\mu _{\mathrm {k} }\ \mathbf {F} _{\mathrm {n} }(\mathbf {x} )\cdot d\mathbf {x} ,$

где

• $\mathbf {F} _{\mathrm {fric} }$ - сила трения,
• $\mathbf {F} _{\mathrm {n} }$ - вектор, полученный путем умножения величины нормальной силы на единичный вектор, направленный против движения объекта,
• $\mu _{\mathrm {k} }$ — коэффициент кинетического трения, который находится внутри интеграла, поскольку он может меняться от места к месту (например, если материал меняется на пути),
• $\mathbf {x}$ это положение объекта.

Диссипация энергии за счет трения в процессе является классическим примером термодинамической необратимости .

Работа трения

Работа, совершаемая трением, может привести к деформации, износу и нагреву, которые могут 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 возникает, когда работа из-за сил трения возрастает до неприемлемого уровня. Более твердые частицы коррозии, попавшие между сопрягаемыми поверхностями при относительном движении ( фреттинг ), усугубляют износ от сил трения. Поскольку поверхности изнашиваются в результате работы из-за трения, посадка и качество поверхности объекта могут ухудшиться до тех пор, пока он не перестанет функционировать должным образом. Например, заклинивание или выход из строя подшипника может возникнуть в результате чрезмерного износа из-за работы трения.

В системе отсчета границы раздела двух поверхностей статическое трение не работает , поскольку между поверхностями никогда не происходит смещения. В одной и той же системе отсчета кинетическое трение всегда направлено в сторону, противоположную движению, и совершает отрицательную работу. Однако трение может принести положительную в определенных системах отсчета пользу . В этом можно убедиться, поставив тяжелую коробку на ковер и быстро потянув за него. В этом случае коробка скользит назад относительно коврика, но перемещается вперед относительно системы отсчета, в которой пол неподвижен. Таким образом, кинетическое трение между коробкой и ковриком ускоряет коробку в том же направлении, в котором она движется, совершая положительную работу.

Когда происходит скольжение между двумя соприкасающимися шероховатыми телами, алгебраическая сумма совершенных работ отлична от нуля, а алгебраическая сумма количества тепла, полученного двумя телами, равна количеству работы, потерянной при трении, а Общее количество полученного тепла положительно. В естественном термодинамическом процессе работа, совершаемая телом в окружении термодинамической системы или рабочего тела, больше работы, полученной телом из-за трения. Термодинамическая работа измеряется изменениями переменных состояния тела, иногда называемых рабочими переменными, отличными от температуры и энтропии. Примерами переменных типа работы, которые являются обычными макроскопическими физическими переменными и встречаются в сопряженных парах, являются давление – объем и электрическое поле – электрическая поляризация. Температура и энтропия представляют собой специфически термодинамически сопряженную пару переменных состояния. На них можно воздействовать микроскопически на атомном уровне с помощью таких механизмов, как трение, теплопроводность и излучение. Часть работы, совершаемая телом в среде, не изменяющая объёма рабочего тела, но рассеивающаяся на трении, называется изохорной работой . Оно воспринимается в виде тепла рабочим телом, а иногда и частично телом, находящимся в окружающей среде. Она не учитывается как термодинамическая работа, полученная рабочим телом.

Приложения

Трение является важным фактором во многих инженерных дисциплинах.

Транспорт

• Автомобильные тормоза по своей сути основаны на трении, замедляя транспортное средство за счет преобразования его кинетической энергии в тепло. Между прочим, безопасное рассеивание такого большого количества тепла является одной из технических задач при проектировании тормозных систем. Дисковые тормоза основаны на трении между диском и тормозными колодками , которые прижимаются поперечно к вращающемуся диску. В барабанных тормозах тормозные колодки или колодки прижимаются наружу к вращающемуся цилиндру (тормозному барабану), создавая трение. Поскольку тормозные диски охлаждаются более эффективно, чем барабаны, дисковые тормоза обладают лучшими тормозными характеристиками.
• Сцепление с рельсами относится к сцеплению колес поезда с рельсами, см. Механика фрикционного контакта .
• Скользкость дороги является важным фактором конструкции и безопасности автомобилей.
  • Разделенное трение — особенно опасное состояние, возникающее из-за разного трения по обе стороны автомобиля.
  • Текстура дороги влияет на взаимодействие шин и поверхности движения.

Измерение

• Трибометр – это прибор, измеряющий трение на поверхности.
• Профилограф . – это прибор, используемый для измерения шероховатости поверхности дорожного покрытия

Бытовое использование

• используется трение Для нагрева и воспламенения спичек (трение между головкой спички и трущейся поверхностью спичечного коробка).
• Липкие подушечки используются для предотвращения соскальзывания объекта с гладких поверхностей за счет эффективного увеличения коэффициента трения между поверхностью и объектом.

См. также

• Контактная динамика
• Контактные механики
• Коэффициент адгезии
• Фрикционная акустика
• Самолет без трения
• раздражение
• Боковая адгезия
• Негладкая механика
• Нормальная контактная жесткость
• Явление прилипания-скольжения
• Переходная фрикционная нагрузка
• Трибоэлектрический эффект
• Односторонний контакт
• Момент трения

Внешние ссылки

• «Трение» . Британская энциклопедия . Том. 11 (11-е изд.). 1911.
• Коэффициенты трения - таблицы коэффициентов, а также множество ссылок.
• Измерение силы трения
• Physclips: Механика с анимацией и видеоклипами от Университета Нового Южного Уэльса.
• Значения коэффициента трения - Справочник CRC по химии и физике
• Коэффициенты трения различных пар материалов в атмосфере и вакууме .