Наука

Европейские ученые предоставили современное объяснение происхождения трения скольжения между твердыми предметами. Несмотря на тот факт, что трение – это одно из основополагающих явлений современной прикладной физики, данный феномен не прекращают изучать уже на протяжении многих веков . Вплоть до наших дней считалось, что механическая износоустойчивость и наличие (или отсутствие) жидкой смазки являются одними из основных факторов, влияющих на трение, однако фундаментальные причины трения скольжения оставались неизвестными.

Доктор Лэйси Макконен, старший научный сотрудник Технического исследовательского центра в Финляндии, представил собственное объяснение происхождения трения скольжения между твердыми предметами. Его теория полностью подтверждает тот факт , что величина трения зависит также от так называемой поверхностной энергии рассматриваемых материалов. При этом трение оказывает значительный эффект на многие явления, с которыми мы сталкиваемся каждый раз (такие как, к примеру, поглощение энергии).

Новая термодинамическая модель, созданная Макконеном, является первой в своем роде, которая дает возможность определить количественные параметры коэффициента трения материалов с учетом поверхностной энергии материалов. Модель, фактически, показывает, что трение возникает при соприкосновении материалов на наноразмерном уровне , являясь следствием формирования новых связей на атомном уровне. Данная теория дополняет объяснение происхождения силы трения и наличия фрикционного нагрева при сухом трении. Ее также можно применить для более точного расчета коэффициентов трения комбинаций различных материалов.

Построенная модель также дает возможность более точно управлять процессами трения посредством выбора определенной поверхности материалов или посредством использования смазочных слоев, учитывая наличие поверхностной энергии между ними . Примечательно, что данная теория подтверждает мнения многих физиков о том, что во всем известных таблицах с представленными в них коэффициентами трения для различных материалов (особенно для однородных) присутствуют заметные неточности.

История изучения трения Первое исследовании законов трения принадлежит знаменитому итальянскому ученому и художнику Леонардо да Винчи (15 век): сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна силе прижатия, направлена против направления движения и не зависит от площади контакта соприкасающихся поверхностей.

Тре́нии процесс взаимодействия твёрдых тел при их относительном движении (смещении) либо при движении твёрдого тела в газообразной или жидкой среде. По-другому называется фрикционным взаимодействием (англ. friction). Изучениим процессов трения занимается раздел физики, который называется механикой фрикционного взаимодействия, или трибологией (tribology).твёрдых тел англ. физикитрибологиейtribology

При наличии относительного движения двух контактирующих тел силы трения, возникающие при их взаимодействии, можно подразделить на: 1. Трении скольжения сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих (взаимодействующих) тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения;Трении скольжения

При отсутствии относительного движения двух контактирующих тел и наличии сил, стремящихся осуществить такое движении, в ряде ситуаций возникает трении покоятрении покоя сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движении друг относительно друга. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного движения.

По физике взаимодействия трении принято разделять на: Сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками очень редко встречающийся на практике случай. Характерная отличительная черта сухого трения наличие значительной силы трения покоя. силы трения покоя жидкостное (вязкое)жидкостное (вязкое), при взаимодействии тел, разделённых слоем твёрдого тела (порошком графита), жидкости или газа (смазки) различной толщины как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость.порошком графита жидкости газа смазки Смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения; Граничное, когда в области контакта могут содержатся слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и т. д.) наиболее распространённый случай при трении скольжения.

Трении в механизмах и машинах В большинстве традиционных механизмов (ДВС, автомобили, зубчатые шестерни и пр.) для уменьшения силы трения используются различные натуральные и синтетические масла и смазки. ДВС В современных механизмах для этой цели используется также напылении покрытий (тонких плёнок) на детали. С миниатюризацией механизмов и созданиим микроэлектромеханических систем (МЭМС) и нано- электро-механических-систем (НЭМС) величина трения по сравнению с действующими в механизме силами увеличивается и становится весьма значительной тонких плёнок микроэлектромеханических систем и при этом не может быть уменьшена с помощью обычных смазок, что вызывает значительный теоретический и практический интерес инженеров и учёных к данной области. Для решения проблемы трения создаются новые методы его снижения в рамках трибологии и науки о поверхности (англ.). трибологии науки о поверхности англ.,

Ещё от чего зависит эта сила? Сдвинуть книгу по гладко отполированному столу легче, чем по шершавому. Поэтому сила трения покоя зависит также и от материала соприкасающихся поверхностей. Санки, полозья которых обиты железом, сдвинуть легче, чем санки с необитыми полозьями: трении железа о снег меньше, чем трении дерева о снег.

Ходить по деревянному полу можно увереннее, чем по каменному: трении покоя между подошвами ботинок и деревянным полом больше, чем между теми же подошвами и каменными плитами, и ноги меньше скользят. При одном и том же давлении между соприкасающимися поверхностями трении покоя будет разным для разных пар материалов.

Для разных материалов коэффициент трения разный. Так, для металла по дереву он равен 1/2. Значит, для того чтобы сдвинуть на деревянном столе стальную плитку весом в 2 килограмма, нужно потянуть её с силой в 1 килограмм. Коэффициент трения стали по льду равен 0,027. Чтобы сдвинуть ту же плитку по гладкому льду, требуется всего 54 грамма. Зная коэффициенты трения и пользуясь формулой Fтр = kN, инженеры могут заранее рассчитать силу тяги, необходимую для приведения в движении различных механизмов и машин.

Оказывается, быстроте передвижения он во многом обязан покрывающей тело жировой смазке, которая значительно уменьшает трении о воду. В истории трении качения победило трении скольжения, человечество изобрело колесный транспорт. Но замена санок колесами еще не была полной победой над трениим – ведь колесо насажено на ось.

Во всех машинах есть одна общая черта: в любой из них что-нибудь обязательно вращается. И везде есть неразлучная пара – ось и её подпорка – подшипник. ___ В 19 веке на улицах можно было встретить забавный транспорт! Человек, ехавший на таком велосипеде - самокате, двигался, отталкиваясь ногами!

Как устроен шариковый подшипник? Эти кольца - обоймы имеют на обращенных друг к другу поверхностях выточенные канавки. Между обойм находятся стальные шарики. При кручении подшипника шарики катятся по канавкам в обоймах. Чем лучше отполированы поверхности дорожек и шариков, тем меньше трении. Чтобы шарики не сбегались в одну кучу, их разделяет сепаратор. Сепараторы обычно делаются пластиковые, стальные или бронзовые.

Интересные факты На первый взгляд, трении - "вредное" явлении, человек вынужден его всячески уменьшать. Однако, если бы не оно, человек, например, не мог бы и с места сдвинуться - скольжении на гололёде яркое тому доказательство.

Это интересно! Увеличении силы сопротивления движению при росте скорости приводит к установившемуся равномерному движению тела при падении с большой высоты в жидкости или газе (например, в атмосфере). Так парашютист до раскрытия парашюта может приобрести скорость всего лишь до 50 м/с, а капли дождя, в зависимости от их размеров, достигают скоростей от 2 до 7 м/с.

Конечно, коммерческое названии «тефлон» удобнее, чем его настоящее имя политетрафторэтилен. Тефлон – дитя химии 20 века. Будучи, в отличие от графита и молибденита, великолепным изолятором, тефлон начал свою карьеру в электротехнической промышленности, затем в медицине и в бытовой технике. Тефлон обладает самым низким коэффициентом трения из всех известных твердых веществ. Поэтому он и находит широкое применении в твердосмазочных материалах.

Можно получать огонь, нанося по твердому камню удары каким-нибудь металлическим предметом, например, ножом. Такое устройство по извлечению огня существовало с древних времен и позднее стало называться "огниво". Вполне вероятно, что высекании огня с помощью двух камней было древнейшим способом его получениям, хотя получении огненных искр при обработке каменных орудий труда древний человек оценил и использовал далеко не сразу.

А первые спички были изобретены в 1830 году 19-летним французским химиком Шарлем Сориа. Это были фосфорные спички. Эти спички загорались даже от взаимного трения в коробке и при трении о любую твёрдую поверхность, например, подошву сапога. Эти спички не имели запаха, но были вредны для здоровья, так как белый фосфор очень ядовит.

По назначению различают спички, зажигающиеся в обычных условиях, влагоупорные (рассчитанные на зажигании после хранения во влажных условиях, например в тропиках), ветровые (зажигающиеся на ветру) и др. В 1855 году шведский химик Лундстрем начал использовать для производства спичек безвредный красный фосфор. Такие спички легко зажигались о заранее приготовленную поверхность и практически не самовоспламенялись. Первые «шведские спички» Лундстрема дошли практически до наших дней.

Зажигалка – это тоже устройство для извлечения огня. Принцип действия основан на самовозгорании пирофорных сплавов, например, при трении. В современной зажигалке воспламенении горючего производится под действием искры, получающейся от сгорания мельчайшей частицы «кремня», срезанной зубчатым колесиком - кресалом.

В спорте сопротивлении набегающего потока воздуха ­ далеко не всегда зло. Вспомним о коварных, захватывающих дух ударах «сухой лист» в футболе или знаменитых крученых подачах в волейболе и теннисе. Все эти виртуозные приемы основаны на сложных аэродинамических эффектах и были бы совершенно невозможны в пустоте.

А что можно сказать о метании спортивных снарядов? Атлет, перенесенный на Луну, способен метнуть ядро раз в шесть дальше, чем на Земле. Иное дело спортивное копье: уподобившись планеру, оно унеслось бы в рекордном броске спортсмена за стометровую отметку! На Луне нет атмосферы, зато сила тяжести ослаблена в шесть с половиной раз. На Марсе сила тяжести в два раза меньше земной, а атмосфера сильно разрежена. Кто стал бы победителем в метании копья в заочных соревнованиях землян с представителями этих небесных светил? В спорте сопротивлении набегающего потока воздуха ­ далеко не всегда зло. Вспомним о коварных, захватывающих" дух ударах «сухой лист» в футболе или знаменитых крученых подачах в волейболе и теннисе. Все эти виртуозные приемы основаны на сложных аэродинамических эффектах и были бы совершенно невозможны в пустоте.

Теперь о прыжках в длину. Прыжку предшествуют мощный разбег и толчок, которые зависят от силы трения между подошвой спортсмена и беговой дорожкой. Эта сила на Луне меньше в 6,5 раз, т. е. ровно во столько, во сколько, благодаря ослабленной силе тяжести, должна возрасти при данной скорости разбега длина прыжка. Меньшая сила тяжести, давая лунному прыгуну одно преимущество, тут же лишает его другого, не менее важного. Появлении пластиков с различными фрикционными свойствами позволило в одних случаях создать беговые дорожки, футбольные поля и корты с искусственными покрытиями, а с другой решить еще более сложную задачу: заменить скользкий снег на горнолыжных трассах и трамплинах. Для этого наиболее целесообразно использовать материалы, имеющие не только низкий коэффициент трения, но и рифленую поверхность.

В земных условиях трение всегда сопутствуют любому движению тел. При всех видах механического движения одни тела соприкасаются либо с другими телами, либо с окружающей их сплошной жидкой или газообразной средой. Такое соприкосновение всегда оказывает большое влияние на движение. Возникает сила трения, направленная противоположно движению.

Существует несколько видов трения:

Сухое трение возникает при движении твердых соприкасающихся тел относительно друг друга.

Вязкое (иначе жидкое) трение возникает при движении твёрдых тел в жидкой или газообразной среде, или когда жидкость или газ текут мимо неподвижных твёрдых тел.

Трение покоя возникает, когда к телу прикладывают силу, пытающуюся сдвинуть это тело.

Причинами возникновения силы трения являются: неровность соприкасающихся поверхностей и взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел.

А что произойдет, если взять две идеально чистые поверхности?

Привяжите к ножке стеклянного бокала нитку и поставьте его на стол, накрытый стеклом. Если потянуть за нитку бокал легко заскользит по стеклу. Теперь смочите стекло водой. Перемещать бокал станет значительно труднее. Если Вы присмотритесь к стеклу, то сможете заметить даже царапины. Делов том, что вода удалила жир и прочие вещества, загрязнявшие трущиеся поверхности. Образовался контакт двух идеально чистых поверхностей, и оказалось, что сделать царапины (т.е. вырвать кусочки стекла) легче, чем оторвать (сдвинуть) бокал.

Способы уменьшения силы трения:

Шлифовка трущихся поверхностей, применение смазки и замена трения скольжения трением качения.

Силы трения имеют электромагнитную природу.

От чего зависит сила трения?

От рода соприкасающих поверхностей и от величины нагрузки.
В свое время великий итальянский художник и ученый Леонардо да Винчи, удивляя окружающих, проводил странные опыты: он таскал по полу веревку то во всю длину, то собирая ее кольцами. Он изучал: зависит ли сила трения скольжения от площади соприкасающихся тел?
В результате Леонардо пришел к выводу, что сила трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся тел, что подтверждают и современные ученые.

Как объяснить возникновение трения?

Соприкасающиеся поверхности тел никогда не являются идеально плоскими и имеют неровности.

Причем места выступов на одной поверхности не совпадают с местами выступов на другой. Но при сжатии остроконечные пики деформируются и площадь контакта увеличивается пропорционально приложенной нагрузке. Именно сопротивление сдвигу в местах неровностей и является причиной трения

Кроме того, не надо забывать, что в случае идеально гладких поверхностей сопротивление движению возникнет за счет сил притяжения между молекулами.Так объясняется влияние на силу трения нагрузки - силы прижатия и свойств материалов.

Как измерить силу трения?

Это можно сделать при помощи динамометра.
При равномерном движении тела динамометр показывает силу тяги, равную силе трения. Для удобства измерения иногда вместо того, чтобы тянуть книгу по столу, можно начать двигать сам стол, а книгу удерживать на месте, привязав её к пружине. Сила трения от этого не изменится.

Единица измерения силы трения в СИ (как и любой другой силы) - 1 Ньютон.

Что выгоднее: качение или скольжение?

Что лучше – скользить или катиться? Конечно, катиться выгоднее, чем скользить. Чтобы поддерживать качение, нужно прикладывать гораздо меньшую силу, чем для поддержания скольжения с той же скоростью. Поэтому понятно, что летом ездят в телеге, а не на санях.

Но почему же зимой колёса уступают место полозьям? Всё дело в том, что колёса выгоднее полозьев только в том случае, когда они катятся. А чтобы колёса могли катиться, под ними должна быть твёрдая, гладкая дорога и к тому же нескользкая.

ОПЫТ. Сравнение силы трения скольжения и силы трения качения.

Поставьте на стол круглый (не гранёный) стакан и толкните его так, чтобы он заскользил своим дном по столу. Сдвинувшись, стакан остановится.
Положите теперь тот же стакан на бок и толкните его с той же силой.Стакан, прокатившись, продвинется дальше. В чём дело?
Вес стакана не изменился, его стенки и дно сделаны из одного и того же стекла, стол тот же самый.
Всё дело в том, что теперь стакан катится, а не скользит, и тормозит его движение сила трения качения, которая во много раз меньше силы трения скольжения. Во многих случаях оно оказывается раз в 50 больше трения качения!

Трение всегда тормозит движение; на преодоление трения всех видов расходуется громадное количество ценного топлива.
Трение вызывает износ трущихся поверхностей.

ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ТРЕНИЯ

Первое исследование законов трения принадлежит знаменитому итальянскому ученому и художнику Леонардо да Винчи (15 век):
сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна силе прижатия, направлена против направления движения и не зависит от площади контакта соприкасающихся поверхностей.

Он измерял силу трения, действующую на деревянные бруски, скользящие по доске, причем, ставя бруски на разные грани, определял зависимость силы трения от площади опоры. Но, к сожалению, работы Леонардо да Винчи не были опубликованы.

Однако только в конце 18 века ученые Г. Амонтон и Ш.О. Кулон ввели новую физическую постоянную - коэффициент трения (k).

После этого была выведена формула для силы трения:

Fтр = kN

Где N – сила реакции опоры, соответствующая силе давления, производимой телом на поверхность.

Если тело находится на горизонтальной поверхности, то N = Fтяж

Значения коэффициента трения для различных материалов можно найти в справочниках.

С давних времен было известно, что смазанные жиром или даже просто смоченные водой поверхности скользят значительно легче. В 1886 году О. Рейнольдс создал первую теорию смазки.
А в начале 20 века появилась трибология – наука изучающая трение.

Иногда трение- «вред»!

Трение тормозит движение; на преодоление трения всех видов расходуется громадное количество ценного топлива.
Трение вызывает износ трущихся поверхностей: стираются подошвы, шины автомобилей, детали машин. Вредное трение стараются уменьшить.

Но иногда в трении - польза!

Тогда его стараются увеличить, например, при ходьбе в гололед.

А если бы трения не было?

Лауреат Нобелевской премии, швецарский физик Шарль Гийом сказал: “ Вообразим, что трение может быть устранено совершенно, тогда никакое тело, будь оно величиной с каменную глыбу или мало, как песчинка, никогда не удержится одно на другом, все будет скользить и катиться, пока не окажется на одном уровне. Не будь трения, Земля была бы без неровностей, подобно жидкости.”

ЧИТАЕМ ВСЁ О ТРЕНИИ

О трении для любознательных..........

ИНТЕРЕСНО

Увеличение силы сопротивления движению при росте скорости приводит к установившемуся равномерному движению тела при падении с большой высоты в жидкости или газе (например, в атмосфере). Так парашютист до раскрытия парашюта может приобрести скорость всего лишь до 50 м/с, а капли дождя, в зависимости от их размеров, достигают скоростей от 2 до 7 м/с.

Самый низкий коэффициент трения для твёрдого тела (0,02) имеет известный вам тефлон. У каждого современного человека есть на кухне кастрюли и сковородки с антипригарным тефлоновым покрытием.

Если у движущегося поезда одновременно открыть все окна, то обтекание его воздухом настолько ухудшится, что сила сопротивления движению возрастет примерно на четверть.

Гидрокостюмы, которые специально разрабатываются для подводной охоты и фридайвинга, выпускаются со сверхгладким покрытием с внешней стороны для уменьшения потерь на трение при скольжении в воде.

ВОПРОС ДЛЯ ВСЕХ!

Лошадь везет телегу. Где здесь сила трения полезна, а где вредна?
А, ну-ка!