Třecí síla mezi styčnými plochami pevných látek. Třecí síla

K tření dochází na styčných plochách dvou pevné látky... Hraje důležitou roli v technologii a v každodenním životě. Existují tři typy vnějšího tření: statické tření, kluzné tření, valivé tření. Velikost třecích sil a povaha jejich závislosti na rychlosti jsou významně ovlivněny stavem povrchů, jejich zpracováním, přítomností kontaminace atd. Velikost těchto sil přitom závisí na velikosti normálního tlaku mezi povrchy. Třecí síla mezi dotykovými pevnými tělesy má charakteristický rys: nemizí rychlostí. Nazývá se třecí síla, která existuje mezi kontaktujícími, ale nepohybujícími se těly statické tření. Velikost a směr statické třecí síly jsou určeny velikostí a směrem vnější síly, která měla způsobit klouzání. Statická třecí síla má stejnou velikost a je opačná ve směru vnější síly, která pohyb způsobila. Statická třecí síla nemůže překročit určitou určitou hodnotu, která se nazývá maximální statická třecí síla (nebo statická třecí síla). Dokud vnější síla nepřekročí tuto hodnotu, nedochází ke skluzu (obr. 6.1). Po maximální hodnotě následuje prudký pokles a zůstává konstantní kluzná třecí síla.

Statické tření a kluzné tření nezávisí na velikosti kontaktní plochy pevných látek. U těchto těles jsou síly tření v klidu a skluzu přímo úměrné tlakové síle N. který současně stlačuje obě těla:

, , (6.1)

kde a jsou koeficienty statického tření a klouzání. Ve většině případů se hodnota pohybuje od 0,2 do 0,7; - od 0,2 do 0,5.

Klidové tření hraje v technologii zásadní roli. Určuje největší množství potřebné hnací síly pro hnací kola automobilů, jakož i pro chodidla chodců. V místě dotyku se zemí je rolovací kolo a chodidlo pohybující se osoby v klidu vzhledem k zemi. V klidu tedy dochází k tření. Kluzné tření naopak téměř vždy zasahuje, proto se ve strojích a zařízeních snaží co nejvíce eliminovat vnější tření mezi třecími částmi. Je nahrazeno vnitřním třením tenkých vrstev kapaliny mezi vzájemně se pohybujícími částmi - tomu se říká mazivo.

Přednáška 4. Tření pevných látek

Vnější tření, mechanický odpor vznikající v rovině tečnosti dvou dotykových těles při jejich relativním posunutí. Odporová síla F tr, směřující proti pohybu daného tělesa, se nazývá třecí síla působící na toto těleso. Vnější tření je disipativní proces doprovázený uvolňováním tepla, elektrifikací těl, jejich ničením atd.

Rozlišujte mezi vnějším kluzným a valivým třením. Kluzné tření- síla vznikající při translačním posunu jednoho z kontaktujících těles vůči druhému a působícím na toto těleso ve směru, opačný směr uklouznutí. Valivé tření - moment sil vznikajících při odvalování jednoho ze dvou kontaktních těles vůči druhému, který brání odvalování.

Charakteristický kluzné tření- součinitel kluzného tření f c - bezrozměrné množství, stejný poměr třecí síly k normálnímu zatížení; charakteristikou valivého tření je součinitel valivého tření f k - hodnota, která má rozměr délky, je poměr momentu valivého tření k normálnímu zatížení. Vnější podmínky (zatížení, rychlost, drsnost, teplota, mazání) ovlivňují hodnotu vnějšího tření ne méně než povahu třecích těles, přičemž se několikrát mění.

F c = Ftr. / mg (4,1)

f to = Ftr.kat. R / mg (4,2)

Mechanismus vzniku tření je vysvětlen molekulárně-mechanickou teorií tření, k jejímuž rozvoji přispěli zejména ruští vědci (B.V.Deryagin, I.V. Kragelsky a další) a zahraniční vědci (Bowden, Tabor, Tomlinson atd.). V souladu s touto teorií má tření dvojí molekulárně-mechanickou povahu. Třecí sílu F tr lze vyjádřit jako součet molekulárních (adhezivních) F a a mechanických (deformačních) složek F σ:

F tr = F a + F σ.

Molekulární složka je dána odolností proti přerušení molekulárních nebo interatomických vazeb, které vznikají mezi kontaktujícími těly. Mechanismus tohoto procesu je podobný destrukci krystalové mřížky během smyku. Ztráta třecí práce na teplo je spojena s pružnou deformací krystalových mřížek. Práce vnější síly se přenáší na potenciální energii mřížek. Po

přerušením vazby se potenciální energie přemění na energii vibrací atomů (teplo).

Mechanické

způsobená součást

odpor

elastické a

plastický

odsunutí výstupků

kontaktování těl, která se při pohybu zakořenila

protiplochy (viz obr. 4.1).

V závislosti na třecích podmínkách a konstrukci

těla a interatomické interakce, jednotlivé složky

ve výrazu

vyrůst nebo

pokles.

Rozlišovat

hranice,

hydrodynamické

(kapalný)

smíšený

Obr. Elastické a plastové posunutí

(současně existují prvky suché, hraniční a

materiál při posouvání

hydrodynamické tření).

V prvním případě jsou v kontaktu nemazané povrchy, pokryté oxidovými filmy a nejtenčí vrstvy molekul plynu a vody adsorbované z prostředí... V tomto případě je třecí síla součtem lepivých a soudržných složek. Suché a mezní tření jsou si podobné

přírody a mají společné zákony. Důvodem je skutečnost, že při hraničním tření jsou monomolekulární vrstvy maziva pevně spojeny s pevným povrchem, mají vlastnosti podobné pevným látkám a jako by sloužily jako pokračování pevné fáze. Proto, jako při suchém tření, ve skutečnosti existuje kontakt mezi dvěma tvrdými povrchy. Rozdíl se projevuje v různé významy koeficient tření.

V druhém případě existují kromě uvedených filmů molekuly lubrikantu ve formě tenké vrstvy o tloušťce několika molekul, které jsou pevně spojeny s povrchem. Charakteristickým rysem je v tomto případě pokles jedné i druhé složky.

Ve třetím případě vrstva tekutého maziva zcela odděluje spojovací povrchy. Adhezivní složka je snížena na nulu.

Četné studie ukázaly, že u kovů je deformační složka součinitele tření asi 100krát menší než lepicí. Proto je koeficient tření v první aproximaci roven adhezivní složce. U plastů a kaučuků je situace poněkud odlišná. V druhý případ rozdíl se zmenší o více než řád, a pokud kaučuk klouže po hrubě opracovaném povrchu, deformační komponenta by neměla být opomíjena.

										K měření třecí síly se používají různé tribometry.
										Studují tření vzorků ve formě kontaktních disků
										zadky; válce v kontaktu podél generatrix atd.
										Nejjednodušší a nejčastěji používaný je tribometr,
										jehož schéma je znázorněno na obr. 4.2. Ukázka 1 je připojena k
										pružinový dynamometr 3 a je přitlačen na protilehlé tělo 2,
										dát do pohybu.
										Dynamometr měří třecí sílu. Zařízení vám umožní prozkoumávat
										vliv na tření drsnosti povrchu, párové materiály
										tření, normální zatížení, klouzavá rychlost, teplota,

mazání a mnoho dalších faktorů.

Rýže. 4.2. Obvod tribometru

Stanovení sil a součinitelů vnějšího tření. Při elastických deformacích v kontaktních zónách lze interakci pevných látek provádět s nenasyceným a nasyceným kontaktem.

S elastickým nenasyceným kontaktem vzdálenosti mezi jednotlivými zónami kontaktu jsou dostatečně velké, takže je možné vliv zón na sebe navzájem zanedbávat. Celková třecí síla při klouzání absolutně tuhého tělesa s drsným povrchem vzhledem k měkčímu tělesu s absolutně plochým povrchem bude rovna

F tr = ∫ F i	dnr,

kde F i - třecí síla vznikající na jedné libovolné mikroroughnosti; n r je počet mikroroughů se stejnou penetrací.

Pro určení síly F i vezměte v úvahu procesy probíhající v kontaktní zóně jedné mikrohrubosti (obr. 4.3). Deformační složka třecí síly vzniká v důsledku nedokonalé pružnosti materiálu deformovatelných vrstev. Je to způsobeno ztrátami hystereze. Podle výzkumu anglického vědce D. Tabora

deformační složka třecí síla je

	F idef =	0,25α
			- μ 2

kde E je modul pružnosti deformovatelného materiálu; μ - Poissonův poměr tohoto materiálu; α hisst je koeficient ztrát hystereze materiálu za podmínek komplexního napěťového stavu.

Rýže. 4.3. rozložení napětí při elastických deformacích v kontaktní zóně míče s rovným povrchem deformovatelného tělesa

Molekulární složka třecí síla je způsobena interatomickými a mezimolekulárními interakcemi a je rovná

Potom lze celkovou třecí sílu vznikající při klouzání libovolné mikrohrubosti vyjádřit následovně

	0,25α			+ (τ 0	+ β Pri) π Rhi
	1 - μ 2

Třecí síla F tr se vypočítá z výrazu (4.4), ve kterém jsou pomocí známých hodnot určeny všechny i-té parametry. Pokud definujete

normální zatížení P v závislosti na přiblížení, pak můžete vypočítat součinitel tření v závislosti na přiblížení f =

F tr / P. Výpočty ukazují, že se zvýšením přístupu mezi povrchy pevných látek molekulární složka

koeficient tření (obsahující třecí parametry τ 0 a β) klesá a deformace se zvyšuje. Závislost součinitele tření na parametru h / R je znázorněna na obr. 4.4.

Rýže. 4.4 Závislost součinitele tření na přiblížení

Experimentální výsledky. Třecí chování materiálu je určeno hloubkou šíření plastické deformace do vnitřku vzorku. Se zvýšením normálního tlaku se na skutečných kontaktních bodech vyvíjejí elastické a poté plastické deformace. K určitým deformacím spojeným s dotvarováním materiálu dochází také poté, za podmínek konstantního zatížení. Konečná rovnováha je stanovena poté, co je skutečná kontaktní plocha dostatečná k zajištění požadované únosnosti. Po záběhu povrchu je tedy stanoven stacionární režim tření, ve kterém je opotřebení povrchu v rovnováze s růstem nových deformovaných vrstev. Na obr. Obrázky 4.5 a 4.6 ukazují závislosti součinitele tření na tlaku v ustáleném mezním mazání při klouzání vzorků vyrobených z oceli 36NKhTYu v kalených a stárnutých stavech na tvrzené oceli 45. Austenitická ocel 36NKhTYu

má vysokou odolnost proti korozi,

proto během tření nevznikají vrstvy oxidu,

určuje záchvat už tehdy, když nevíte

silné zatížení. Vyšší

schopnost slitiny ve stáří

kvůli vysokému bodu výnosu a

tvrdost.

Je třeba poznamenat, že pro různé

podmínky

experimentální závislosti

součinitel tření od zatížení, rychlosti a

teploty mohou stoupat

klesající

beze změny

nouzový. Parametry tření - opotřebení a

0.07 0

součinitel tření závisí na konstrukci

povrchová vrstva a její kinetika

Rýže. 4.5. Součinitel tření (k) versus tlak

degradace, což následně

pro slitinu 36NKhTYu kalenou od 9700 C (a) a vyzrálou

určeno vnějšími podmínkami. proto

po zchlazení při 7500 C po dobu 1 hodiny (b).

a tam

potřeba

studovat

struktura a tribotechnické vlastnosti materiálů v každém konkrétním případě ve vztahu ke konkrétní třecí jednotce.

Rýže. 4.6. Závislost součinitele tření

k) z tlaku u slitiny 36НХТЮ kalené z 9700 С (1) a stárlé po kalení při 7500 С po dobu 1 hodiny (2)

Obrázek 4.7. Závislost součinitele tření vzorku vyrobeného z oceli 36NKhTYu (a) a mědi (b) na kluzné rychlosti a zatížení.

Na obr. 4.7 ukazuje povrchy tvořené hodnotami součinitele tření mědi a slitiny 36НХТЮ, v závislosti na kluzné rychlosti a zatížení. Koeficient tření mědi se mění po křivce s maximem v závislosti na zatížení při všech rychlostech. U slitiny 36NKhTYu je koeficient tření při nízkých rychlostech prakticky nezávislý na použité síle. Zvýšení zatížení při vysokých rychlostech vede k poklesu součinitele tření. To naznačuje, že příspěvek ke třecí síle v důsledku plastického toku povrchové vrstvy klesá. To je možné při snižování

viskozita materiálu spojená se zvýšeným třením. V tomto případě je zjevně důležitý proces fragmentace povrchových vrstev, který vede ke zvýšení pohyblivosti prvků tvořících strukturu.

Rýže. 4.8. Závislost třecího momentu kompozitního materiálu TiC -NiCr (a) na zatížení v páru s různými slitinami (b - TiC -NiCr; c - 3В16К; d - složení na bázi KAM bronzu)

Analýza parametrů tření (obr. 4.8) ukazuje, že teplo uvolňované na povrchu a ve vrstvě blízkého povrchu hraje důležitou roli v procesu kontaktu dvou materiálů během jejich relativního klouzání.

Skutečným příkladem vlivu kontaktní teploty na třecí proces je chování kompozitního materiálu TiC-NiCr během tření ve dvojici s materiály, mezi nimiž byly TiC-NiCr CM, stellit a „tvrdá slitina- bronzové “složení, lišící se tepelnou vodivostí. V těchto testech, když bylo rozhraní ve formě mechanické ucpávky, lze odvod tepla z třecí zóny provádět hlavně díky tepelné vodivosti kontaktujících materiálů. Protože tepelná vodivost CM TiCNiCr a stelitu (3V16K) je výrazně nižší než tepelná vodivost kompozice KAM vyvinuté pro vysoce zatížené třecí jednotky, povaha tření by měla být odlišná. Skutečně z obr. 4,8, b, je vidět, že tření dvojice identických TiC-NiCr CM se stává nestabilním po několika minutách provozu při zatížení 1 t. Zvýšení zatížení na 2 t je doprovázeno skoky ve třecím momentu , což naznačuje

		o zaseknutém kamarádovi. Spárováno se stellite KM TiC-
Teplota		NiCr se také chová nestabilně (obrázek 4.8, c) a při zatížení
		2 t testy byly přerušeny kvůli velmi vysokému
		moment tření. Jiné chování je pozorováno, když
		Counterbody byl materiál KAM. Kritická hodnota
		třecí moment byl pozorován až při zatížení 3 tuny poté
		několik minut práce (obr. 4.8, d). Podle všeho
		výkonnost materiálu je zachována do
		teplota v třecí zóně (obr. 4.9) nedosáhne hodnot
		při kterém dojde k záchvatu.

Rýže. 4.9. Schematické znázornění rozložení teploty v povrchové vrstvě v případě plastické deformace během tření

Popis prezentace pro jednotlivé snímky:

1 snímek

Popis snímku:

Třecí síly mezi styčnými plochami pevných látek Stupeň 10 Učitel fyziky L.I. Smetankin

2 snímek

Popis snímku:

Než svou prezentaci předvedete studentům, důkladně si prohlédněte přechody animací na každém snímku. Při práci s animovanými snímky věnujte pozornost používání „myši“. !

3 snímek

Popis snímku:

Zkuste přejet prstem po tlusté knize na stole. Nejprve se zaměříme na takzvané suché tření, tj. tření mezi povrchy kontaktujících pevných látek. Klidové tření Na knihu jste použili určitou sílu, namířenou, řekněme, po povrchu stolu, a kniha zůstane v klidu. Tato skutečnost je zcela známá, ale pokud se nad tím zamyslíte, poněkud zvláštní a nepochopitelná. Koneckonců, co to znamená? To znamená, že se také zvyšuje třecí síla. Tlačíte na knihu větší silou, ale stále zůstává na svém místě. Kniha zůstane na svém místě, dokud síla, která na ni působí, dosáhne určité hodnoty. V důsledku toho mezi knihou a povrchem stolu vzniká síla, namířená proti síle, s níž na knihu působíte, a je jí velikost přesně stejná.

4 snímek

Popis snímku:

Třecí síla působící mezi dvěma těly stacionárními vůči sobě se nazývá statická třecí síla. Pokud na tělo působí síla rovnoběžná s povrchem, na kterém je umístěno, a těleso zůstává nehybné, pak to znamená, že na něj působí statická třecí síla Ffr, která má stejnou velikost a směřuje opačným směrem než platnost. V důsledku toho je třecí síla v klidu určena silou, která na ni působí. Jinými slovy, když je zrychlení tělesa nulové, třecí síla má stejnou velikost a je opačná ve směru síly, která spolu s třením působí na těle rovnoběžně s povrchem jeho kontaktu s jiným tělesem. Největší hodnota třecí síly, při které ještě nedochází ke klouzání, se nazývá maximální statická třecí síla. Pokud síla působící na tělo v klidu překročí maximální třecí sílu v klidu, začne tělo klouzat. Pokud ostatní síly nepůsobí rovnoběžně s tímto povrchem, pak bude tření v klidu rovné nule. Zbytek tření

5 snímek

Popis snímku:

Pokud nyní znovu změříme maximální sílu statického tření, uvidíme, že se zvýšila tolikrát, kolik síly vzrostlo, tj. 2krát. Existuje velmi jednoduchý, ale nepříliš přesný kvantitativní zákon pro určení maximální síly statického tření. Tyč zatěžujeme kettlebellem o stejné hmotnosti jako samotná tyč. V tomto případě se síla, s níž tyč působí na stůl kolmo na povrch stolu, zvýší 2krát. Síla podle třetího Newtonova zákona je však velikostí stejná a je opačná ve směru síly normální reakce podpěry působící na tyč ze strany stolu. V důsledku toho se síla zvýší 2krát. Zbytek tření

6 snímek

Popis snímku:

Zatížením lišty různými závažími a měřením pokaždé maximální statické třecí síly zajistíme, aby maximální hodnota modulu statické třecí síly byla úměrná modulu normální reakční síly podpory. Tento zákon poprvé experimentálně zavedl francouzský fyzik Coulomb. Označíme -li modul maximální statické třecí síly prostřednictvím Ftr.max, pak můžeme zapsat: Ftr.max = µF2, kde µ je koeficient proporcionality, nazývaný koeficient statického tření. Koeficient tření charakterizuje obě třecí plochy a závisí nejen na materiálu těchto povrchů, ale také na kvalitě jejich zpracování. Součinitel tření je určen experimentálně. Zbytek tření

7 snímek

Popis snímku:

Maximální statická třecí síla nezávisí na kontaktní ploše těles. Pokud položíte lištu na menší hranu, Ftr.max se nezmění. Statická třecí síla se pohybuje od nuly do maximální hodnoty rovnající se µF2. Zbytek tření

8 snímek

Popis snímku:

Toto přemísťování pokračuje, dokud není mikroskopická drsnost povrchů vůči sobě umístěna tak, že vzájemným záběrem povedou ke vzniku síly, která vyrovnává sílu. Jak se může měnit třecí síla? Tady je pointa. Když na tělo působí nějaká síla, mírně se posune (neznatelně na oko). S nárůstem síly se tělo opět bude mírně hýbat, takže nejmenší nerovnosti povrchů k sobě přilnou jiným způsobem a třecí síla se zvýší. A pouze při Ftr.max v ne vzájemné uspořádání drsnost povrchu, třecí síla není schopna vyrovnat sílu a začne klouzání. Zbytek tření

9 snímek

Popis snímku:

Při chůzi a běhu působí klidová třecí síla na plosky nohou, pokud nohy neklouzají. V dávných dobách, kdy schopnost statické třecí síly nabývat různých hodnot nebyla příliš dobře chápána, pochybovali, že by parní lokomotiva mohla jezdit po hladkých kolejích. Předpokládalo se, že třecí brzdění poháněných kol bude stejné jako třecí síla působící na hnací kola. Stejná síla působí na hnací kola automobilu (za řízení považujeme zadní kola vozu). Klidová třecí síla působí také na hnaná kola, ale již pohyb brzdí a tato síla je mnohem menší než síla působící na hnací kola (jinak by se auto nemohlo pohnout). Bylo dokonce navrženo udělat ozubená kola ozubená a položit pro ně speciální ozubené kolejnice. Zbytek tření

10 snímků

Popis snímku:

Při skluzu závisí třecí síla nejen na stavu třecích ploch, ale také na relativní rychlosti těles a tato závislost na rychlosti je poměrně složitá. Kluzné třecí zkušenosti ukazují, že často (i když ne vždy) na samém začátku klouzání, když je relativní rychlost stále nízká, se třecí síla stane o něco menší než maximální statická třecí síla. Pravděpodobně jste si všimli, že s těžkým předmětem, jako je krabice, je obtížné se hýbat, a pak je přemístění snazší. To je přesně to, co se vysvětluje poklesem třecí síly, když se objeví klouzání při nízké rychlosti. Teprve potom, jak se rychlost zvyšuje, roste a začíná překračovat Ftr max. zbytek.

11 snímek

Popis snímku:

Závislost modulu kluzné třecí síly na modulu relativní rychlosti těles je znázorněna na obrázku Při nepříliš vysokých relativních rychlostech pohybu se kluzná třecí síla málo liší od maximální statické třecí síly. Proto jej lze přibližně považovat za konstantní a rovný maximální síle statického tření: Ffr ≈ Ffr. max = µN Důležitá funkce kluzná třecí síla spočívá v tom, že je vždy směrována opačně než relativní rychlost kontaktujících těles. vbody vbody

12 snímek

Popis snímku:

Kluznou třecí sílu lze mnohokrát snížit použitím maziva - nejčastěji tenké vrstvy kapaliny (obvykle jednoho nebo jiného druhu minerálního oleje) - mezi třecí plochy. Abstrakt Třecí síla závisí na relativní rychlosti těles. To je jeho hlavní rozdíl od gravitačních sil a pružnosti, které závisí pouze na vzdálenostech. Žádný moderní stroj, jako je motor automobilu nebo traktoru, nemůže běžet bez mazání. Pro konstrukci všech strojů je k dispozici speciální mazací systém. Snížení třecí síly Tření mezi kapalnými vrstvami sousedícími s pevnými povrchy je výrazně menší než mezi suchými povrchy.

Odeslání vaší dobré práce ve znalostní bázi je jednoduché. Použijte níže uvedený formulář

Studenti, postgraduální studenti, mladí vědci, kteří využívají znalostní základnu při studiu a práci, vám budou velmi vděční.

Zatím neexistuje žádná HTML verze díla.
Archiv díla si můžete stáhnout kliknutím na níže uvedený odkaz.

Podobné dokumenty

Síly vznikající mezi kontaktujícími těly během jejich relativního pohybu. Určení velikosti a směru kluzné třecí síly, Amonton-Coulombův zákon. Druhy tření v mechanismech a strojích. Přilnavost k povrchu jako zajištění pohybu.

prezentace přidána 16/12/2014


Charakteristika přibližných metod pro stanovení součinitele kluzného tření, vlastnosti jeho výpočtu pro různé materiály. Hodnota a výpočet třecí síly podle Coulombova zákona. Zařízení a princip činnosti zařízení pro stanovení součinitele tření.

laboratorní práce, přidáno 1. 12. 2010


Historie vzniku třecí síly - proces interakce mezi tělesy během jejich relativního pohybu (přemístění) nebo když se těleso pohybuje v plynném nebo kapalném prostředí. Vznik kluzných a klidových třecích sil na spoji kontaktujících těles, způsoby redukce.

abstrakt, přidáno 30. 7. 2015


Příčina třecí síly a její příklady: pohyb osy kola, koule valící se na vodorovné podlaze. Vzorce pro výpočet třecí síly ve fyzice. Role třecí síly v životě na Zemi: chůze, otáčení hnacích kol vozíku.

prezentace přidána 16. 1. 2011


Gravitační, elektromagnetické a jaderné síly... Interakce elementárních částic. Pojem gravitace a gravitace. Stanovení pružné síly a hlavních typů deformací. Vlastnosti třecích a klidových sil. Projevy tření v přírodě a technologii.

prezentace přidána 24. 1. 2012


Třecí síla jako síla vznikající při kontaktu těles, směřující podél hranice kontaktu a zabraňující vzájemnému pohybu těles. Příčiny tření. Síla statického tření, klouzání a odvalování. Aplikace maziva a ložisek.

prezentace přidána 11/12/2013


Tření jako proces interakce pevných látek během relativního pohybu nebo když se tuhé těleso pohybuje v plynném nebo kapalném prostředí. Druhy tření, výpočet tření v klidu, klouzání a valení. Výpočet koeficientů tření pro různé páry povrchů.

praktická práce, přidáno 05/10/2010

Třetím typem sil, kterými se mechanika zabývá, jsou třecí síly. Síly tření, stejně jako síly pružnosti, jsou elektromagnetické povahy, tj. Třecí síly jsou založeny na elektrických silách interakce molekul. Hlavním rysem třecích sil, které je odlišují od gravitačních sil a elastických sil, je to, že závisí na rychlosti pohybu těles vůči sobě navzájem.

Nejprve se seznámíme se silami tření mezi povrchy těles. Tyto síly vznikají přímým kontaktem těles a jsou vždy směrovány podél styčných ploch, na rozdíl od pružných sil směřujících kolmo na tyto povrchy. Třecí síla vzniká, když se jedno těleso pohybuje po povrchu druhého, ale může existovat mezi dotykovými tuhými tělesy, když jsou tato tělesa vůči sobě nehybná. Třecí síly vždy brání relativnímu pohybu těles.

Povaha tření

Důvodem, proč kniha nesklouzne z mírně nakloněného stolu, je drsnost povrchu stolu a obalu knihy. Tato drsnost je patrná na dotek a pod mikroskopem vidíte, že povrch pevného stolu nejvíce připomíná hornatou zemi. Ze stejného důvodu musí kůň vyvinout velké úsilí, aby přesunul těžké břemeno ze svého místa (obr. 3.31). Nespočet výčnělků k sobě přilne, zdeformuje se a zabrání sklouznutí knihy nebo nákladu. Statická třecí síla je tedy způsobena stejnými molekulárními silami jako obvyklá elastická síla.

Když jedno tělo klouže po povrchu druhého, tuberkulózy se „naštípnou“ a rozbijí molekulární vazby, které nejsou schopné odolat zvýšené zátěži. Rozpoznat „odštípnutí“ tuberkul není obtížné: výsledkem takového „odštípnutí“ je opotřebení třecích částí.

Zdálo by se, že čím pečlivěji jsou povrchy leštěny, tím menší by měla být třecí síla. Do jisté míry tomu tak je. Broušení snižuje například třecí sílu mezi dvěma ocelovými tyčemi, ale ne nekonečně. S dalším zvýšením hladkosti povrchů začne třecí síla růst. Zde jde o následující.

Jak jsou povrchy vyhlazeny, zapadají k sobě stále blíže. Dokud však výška nepravidelností přesahuje několik molekulárních poloměrů, neexistují žádné interakční síly mezi molekulami sousedních povrchů (kromě samotných hrbů). Koneckonců jsou to velmi krátkodobě působící síly. Jejich působení se rozprostírá na vzdálenosti několika molekulárních poloměrů. Pouze tehdy, když je dosaženo určité dokonalosti broušení, se povrchy spojí natolik, že síly přitažlivosti (adheze) molekul pokryjí významnou část kontaktního povrchu tyčí. Tyto síly začnou bránit vzájemnému posunutí tyčí, což vede ke zvýšení statické třecí síly.

Když se hladké tyče klouzají, molekulární vazby mezi molekulami na povrchu tyčí se rozbijí, stejně jako se vazby na nerovnostech rozbijí na drsných površích. Přerušení molekulárních vazeb je hlavní věcí, která odlišuje třecí síly od elastických sil, když k takovým zlomům nedochází. Proto třecí síly závisí na rychlosti.

Níže budeme podrobněji zvažovat jednotlivé druhy třecích sil.

Zbytek tření

Řekněme, že potřebujete přesunout skříňku. Působíte na něj silou směřující vodorovně, ale skříňka se nepohne.

To je možné pouze tehdy, když je síla působící na skříň kompenzována (vyvážena) nějakou jinou silou. Tato síla, stejná ve velikosti síle, kterou vyvíjíte vy a směřuje proti ní, je síla tření v klidu.

Statická třecí síla je síla působící na dané těleso ze strany jiného tělesa v kontaktu s ním podél styčné plochy těles v případě, kdy jsou tělesa vůči sobě v klidu.

Začnete na skříňku tlačit silněji, ale zůstane na svém místě. To znamená, že se také zvyšuje síla statického tření.

Síla tření v klidu má stejnou velikost a je opačná než síla působící na tělo rovnoběžně s povrchem jeho kontaktu s jiným tělesem. Pokud na tento povrch nepůsobí žádné síly rovnoběžně, pak je statická třecí síla nulová.

Zvýšením síly na skříňku ji nakonec přesunete. V důsledku toho se statická třecí síla může měnit od nuly do některých největší hodnotu... Maximální hodnota třecí síly, při které ještě nedochází ke sklouznutí, se nazývá maximální statická třecí síla. Pokud je síla působící na těleso v klidu ještě o něco vyšší než maximální třecí síla v klidu, pak tělo začne klouzat.

Zjistíme, co určuje maximální sílu statického tření. Chcete -li to provést, položte na stůl těžký dřevěný blok a začněte jej táhnout dynamometrem (obr. 3.32). Hodnoty dynamometru zaznamenáme v okamžiku, kdy se lišta začne pohybovat. Odpovídají maximální síle statického tření (jeho modulu). Zatížíme tyč závažím, čímž zvýšíme hmotnost tyče, a tím i reakční sílu podpory, dvakrát, třikrát atd. Všimněte si, že modul maximální statické třecí síly F max se také zvyšuje dvakrát, třikrát atd.

Rýže. 3,32

Naše zkušenosti a mnoho dalších podobných experimentů nám umožňuje dospět k závěru, že maximální hodnota modulu statické třecí síly je přímo úměrná modulu reakční síly podpory:

Zde μ je koeficient proporcionality, nazývaný koeficient statického tření.

Součinitel tření v klidu závisí na materiálu, ze kterého jsou kontaktní tělesa vyrobena, na kvalitě jejich povrchů, ale, jak ukazují zkušenosti, nezávisí na oblasti jejich kontaktu. Pokud dáme tyč na menší plochu, dostaneme stejnou hodnotu pro koeficient statického tření.

V experimentu znázorněném na obrázku 3.32 je síla statického tření aplikována nejen na tyč, ale také na stůl. Skutečně, pokud stůl působí na tyč statickou třecí silou tr1 směřující doleva, pak tyč působí na stůl třecí silou tr2 směřující doprava, zatímco podle třetího Newtonova zákona

Proč se může statická třecí síla měnit od nuly do maximální hodnoty rovnající se μN? Tak to chodí. Když na tělo působí nějaká síla, mírně se posune (neznatelně na oko). Toto přemísťování pokračuje, dokud není mikroskopická drsnost povrchů umístěna tak, že vzájemným záběrem povedou ke vzniku třecí síly, která vyrovnává sílu. S nárůstem síly se tělo opět mírně pohne, takže nejmenší nerovnosti povrchů k sobě budou lnout jiným způsobem a třecí síla se zvýší. Pouze pro F> F max, pro jakékoli uspořádání povrchů vůči sobě navzájem, třecí síla není schopna vyrovnat sílu a začíná klouzání.

Kluzné tření

Když tělo klouže po povrchu jiného tělesa, působí na něj také třecí síla - posuvná třecí síla. Je to vidět ze zkušenosti. Dynamometr připevněný k tyči rovnoměrným pohybem tyče po vodorovné ploše (obr. 3.33) ukazuje, že na tyč působí ze strany pružiny dynamometru konstantní pružná síla. Podle druhého Newtonova zákona je při rovnoměrném pohybu tyče (zrychlení a = 0) výslednice všech sil na ni působících nulová. Proto kromě pružné síly (gravitační síla m a reakční síla opory jsou vyrovnané) při rovnoměrném pohybu působí na tyč síla, která je v modulu stejná jako modul pružné síly, ale směřuje proti ní. Tato síla je síla kluzného tření.

Rýže. 3,33

Kluzná třecí síla, stejně jako maximální statická třecí síla, závisí na reakční síle podpěry, na materiálu třecích těles a stavu jejich povrchů. Je nezbytné, aby síla kluzného tření také závisela na relativní rychlosti pohybu těles. Nejprve je kluzná třecí síla vždy směrována proti relativní rychlosti kontaktujících těles. To lze ilustrovat pomocí obrázku 3.34, který ukazuje tření dvou těl.

Rýže. 3,34

Tělo 1 se pohybuje vzhledem k tělu 2 rychlostí 1, 2 směřovanou doprava. Třecí síla tr1 působí na těleso 1 a je směrována doleva. Těleso 2 se pohybuje vzhledem k tělu 1 doleva rychlostí 2, 1 a třecí síla tp2, která na něj působí, je směrována doprava.

Za druhé, modul kluzné třecí síly také závisí na modulu relativní rychlosti třecích těles. Závislost modulu kluzné třecí síly na modulu relativní rychlosti je stanovena experimentálně. Tato závislost je znázorněna na obrázku 3.35. Při nízkých relativních rychlostech pohybu těles se posuvná třecí síla málo liší od maximální statické třecí síly. Proto ji lze přibližně považovat za konstantní a rovnou statické třecí síle:

Rýže. 3,35

Koeficienty tření pro některé materiály jsou uvedeny v tabulce 5.

Tabulka 5

Všimněte si, že modul třecí síly tr je obvykle menší než modul silové síly reakce. Koeficient kluzného tření je proto menší než jednota. Z tohoto důvodu lze jakékoli tělo snadněji přetáhnout než zvednout nebo přenášet.

Třecí síla závisí na relativní rychlosti těles. To je jeho hlavní rozdíl od gravitačních sil a pružnosti, které závisí pouze na souřadnicích.

Otázky autotestu

• Tělo o hmotnosti m = 5 kg leží na vodorovné ploše. Součinitel tření μ = 0,2. Na těleso působí horizontální síla F = 5 N. Jaká je třecí síla, pokud tělo zůstává v klidu?