Внешнее трение. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Внешнее трение - механич. сопротивление, возникающее в плоскости касания двух соприкасающихся тел при их относит. перемещении. Сила сопротивления F, направленная противоположно относит. перемещению тел, наз. силой трения. Внешнее трение - диссипативный процесс, сопровождающийся выделением тепла, электризацией тел, их разрушением и др. [2].

Различают внешнее трение скольжения и внешнее трение качения. Характеристика первого - коэф. внешнего трения, скольжения f_с - безразмерная величина, равная отношению силы внешнего трения к нормальной силе, прижимающей тела друг к другу; характеристика второго-коэф. Внешнего трения качения f_к, представляет собой отношение момента внешнее трения качения к нормальной силе (имеет размерность длины). Для характеристики данной пары внешнего трения необходимо указать внеш. условия (нагрузку, скорость, шероховатость, температуру, смазку), к-рые влияют на величину внешнего трения не меньше, чем природа трущихся тел.

Трение скольжения. Если внеш. тангенциальная сила, лежащая в плоскости соприкосновения двух тел, недостаточна для скольжения одного тела по поверхности другого, то возникающая при этом сила сопротивления движению наз. неполной силой внешнего трения; она вызвана малыми (~микрометров) частично обратимыми перемещениями в зоне контакта, величина к-рых пропорц. приложенной силе и изменяется с увеличением последней от 0 до нек-рого макс. значения, наз. силой трения покоя (или предельной силой трения). Любое превышение внеш. силы над силой трения покоя вызывает скольжение тела. При этом имеют место необратимые относит. перемещения, величина к-рых не зависит от тангенциальной силы. Действующая на тело сила сопротивления движению относится к разряду неконсервативных сил.

Вследствие волнистости и шероховатости каждой из поверхностей касание двух твёрдых тел происходит в дискретных областях, т. н. пятнах касания [3]. Пятна касания-это элементарные площадки контакта, возникающие в результате упругих или пластич. деформаций неровностей поверхности соприкасающихся тел. Размеры пятен касания зависят от свойств контактирующих тел и условий нагружения и колеблются в пределах от 1 до 50 мкм. На пятнах касания возникают силы сцепления двух тел (адгезия, хим. связи, взаимная диффузия и др.), т. е. образуются т. н. мостики [4].

При скольжении тел пятна касания мигрируют по поверхности тел. Этот процесс сопровождается объёмным деформированием тонких приповерхностных слоев. При этом расходуется определ. работа по преодолению сил сцепления на пятнах касания (разрушение мостиков) и на образование новых очагов сцепления. Каждое пятно касания, т. н. фрикционная связь, существует лишь ограниченное время. Продолжительность жизни фрикционной связи- важная характеристика, т. к. определяет температуру, развивающуюся при внешнем трении, износостойкость и др. Т. о., процесс внешнего трения представляет собой объёмное деформирование весьма тонких приповерхностных слоев каждого из тел, изменяющих свои свойства под влиянием окружающей среды [8], сопровождающееся разрушением мостиков между трущимися поверхностями. Объём слоя, втянутого в деформацию, тем больше, чем прочнее фрикционные связи.

В зависимости от характера объёмного деформирования приповерхностного слоя различают внешнее трение при упругом и пластич. контакте. С др. стороны, в зависимости от соотношения прочности на срез мостика и прочности нижележащих слоев материала различают адгезионный сдвиг (разрушение мостика по границе его образования) и когезионный сдвиг (разрушение мостика на нек-рой глубине). Тот или иной вид внешнего трения зависит от относит. глубины внедрения отд. неровностей и тангенциальной прочности мостика.

При определ. условиях внешнее трение переходит во внутр. трение, при к-ром в зоне контакта нет скачка скорости при переходе от одного тела к другому. Для жёсткого сферич. сегмента радиусом r, скользящего по пластически деформируемому материалу, это произойдёт, когда

где h-глубина внедрения; t-сопротивление срезу мостика;

- предел текучести деформируемого материала. Т. к. h зависит от нагрузки и механич. свойств материалов, то для каждой пары внешнего трения существует своя предельная нагрузка, выше к-рой внешнее трение нарушается. При нулевой прочности мостика (идеальная смазка) относит. внедрение h/r может достигать 1/2. При

внешнее трение невозможно даже при нулевом внедрении. Чем меньше t, тем с большей вероятностью осуществляется внешнее трение. Обязательное условие внешнего трения - соблюдение правила градиента механич. прочности, согласно к-рому материал должен повышать свою прочность вглубь от зоны контакта. Это осуществляется нанесением разл. защитных плёнок, имеющих малое t, или смазочных материалов, пластифицирующих тонкие поверхностные слои (эффект Ре-биндера) [8], а также размягчением тонкого приповерхностного слоя за счёт теплоты внешнего трения. В глубоком вакууме Т. в. реализуется с трудом, из-за того что поверхности тел свободны от плёнок и мостики образуются между самими трущимися материалами.

Сила внешнего трения определяется двумя группами факторов, как зависящими от нормальной нагрузки Р, так и не зависящими от неё. Чаще всего она подчиняется биномиальному соотношению вида

откуда при

получается закон Кулона, а при А =0 и c= 1 -закон Амон-тона. Применяя разл. расчётные модели, получают зависимость силы Т. в. от нагрузки, шероховатости, механич. свойств, прочности мостиков. Напр., для модели шероховатой поверхности в виде системы жёстких сферич. сегментов одинакового радиуса r, вершины к-рых нек-рым образом распределены по высоте (в предположении, что тангенциальная прочность мостиков определяется выражением

где

-прочность мостика на срез при отсутствии сжимающей нагрузки, Р_r-фактич. давление на контакте, b-коэф. упрочнения мостика), зависимость коэф. Т. в. от относит. внедрения имеет вид [3 ]:

где K₁-постоянный коэф.; h_к - глубина внедрения при движении (может быть выражена как функция нагрузки, шероховатости, механич. свойств материалов). Для принятой модели при пластич. контакте

где

- макс, высота неровности, Р_с - контурное давление, Р_r обычно принимают равным твердости деформируемого материала [3], b и v - характеристики шероховатости поверхности. Первые два члена ф-лы (*) учитывают поверхностные свойства материалов (молекулярная составляющая f_с), последний - объёмные (механич. составляющая f_c). Т. к. обычно v = 3, то f_с будет возрастать при увеличении Р_с в степени 1/6, т. е. практически оставаться неизменным при увеличении нагрузки. Уровень f_с будет зависеть от значения

С увеличением Р_r, практически равным твёрдости, f_c будет уменьшаться. При упругом контакте, когда

(где с-коэф., зависящий от формы внедряющейся шероховатости и упрочнения деформируемого материала), можно ограничиться лишь первыми двумя членами ф-лы (*). При этом f_с будет уменьшаться при увеличении нагрузки, поскольку Р_r будет возрастать. При увеличении нагрузки Р контакт переходит из упругого в пластич, состояние в нек-рой точке А (рис.), ордината к-рой делит поле графика на зону Кулона (слева) и зону Амонтона (справа). Наиб. трудной задачей теории является расчёт t [1 ].

Значит. напряжения и деформации, возникающие на единичных фрикционных связях, приводят к проявлению рела-ксац. свойств материалов. Поэтому чем больше время неподвижного контакта, тем больше взаимное внедрение контактирующих неровностей и соответственно больше сила Т. в. [2]. Увеличение скорости приложения сдвигающей силы приводит также к росту силы Т. в.

Выделяющаяся при Т. в. теплота способствует протеканию ряда процессов, связанных со структурными превращениями поверхностных слоев, процессами избирательной диффузии и др. [6]. При скоростях скольжения 10-100 м/с темп-pa поверхности может быть 100-1000 °С. Высокая темп-pa поверхности Т, в. достигается почти мгновенно, она пропорц. скорости скольжения, давлению (обычно равному твёрдости) и обратно пропорц. температуропроводности [7 ]. Проявление релаксац. свойств материалов при малых скоростях скольжения (до 1 м/с) и снижение механич. свойств за счёт нагрева при больших скоростях скольжения приводят к переходу коэф. Т, в. через максимум при увеличении скорости скольжения [5 ]. Для хрупких теплостойких материалов эта закономерность слабо выражена. Вследствие зависимости f_с от продолжительности неподвижного контакта и скорости скольжения возникают механич. релаксац. колебания при Т. в.

Потребности новой техники, где имеют место высокоскоростные и высокотемпературные режимы, привели к широкому применению разл, смазочных материалов (как жидких, так и твёрдых) и созданию спец, самосмазывающихся материалов.

Трение качении - важная разновидность Т, в., широко используемая в технике вследствие ничтожных значений силы Т. в. качения по сравнению с Т. в, скольжения. Причины Т. в. качения; потери на упругий гистерезис, связанный со сжатием под нагрузкой катящегося тела и матери-ала основания; работа, затрачиваемая на передеформирование материала в результате формирования валика перед катящимся телом: преодоление мостиков сцепления. При достаточно протяжённых размерах площадки касания в зоне контакта возникает проскальзывание, приводящее к уже рассмотренному выше Т. в, скольжения, т. к., согласно Рейнольдсу, материал катящегося тела в зоне касания сжат, а материал основания растянут. Для расчёта коэф. сопротивления перекатыванию можно пользоваться ф-лой

, где R- радиус катка. В зависимости от вы-бранной модели величины x и y принимают разл. значения, а f_к выражается в зависимости от геом. характеристик и свойств материалов. При больших скоростях качения, сопоставимых со скоростью распространения деформации в теле, сопротивление перекатыванию резко увеличивается и тогда выгоднее переходить к Т, в. скольжения.

Литература по внешнему трению

Знаете ли Вы, в чем фокус эксперимента Майкельсона?

Эксперимент А. Майкельсона, Майкельсона - Морли - действительно является цирковым фокусом, загипнотизировавшим физиков на 120 лет.

Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
- Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке - 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.

В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.

Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.