Явление трения играет огромную роль в современной технике. В одних случаях с ним борются и стремятся уменьшить, в других же, наоборот, применяют разные методы с целью увеличить силу трения. В данной статье подробнее рассмотрим вопрос, от чего зависит коэффициент трения.
Сила трения и ее виды
Прежде чем перейти к ответу на вопрос, от чего зависит коэффициент трения, следует рассмотреть собственно само явление и его виды.
Каждый человек интуитивно понимает, что любой вид трения предполагает наличие физического контакта минимум двух поверхностей. Это могут быть твердые, жидкие и газообразные среды.
Вам будет интересно:«Примадонна» — это про лучшего исполнителя
Трение между твердыми телами делится на три вида. Самой большой силой обладает так называемое трение покоя. Многие замечали, что для смещения шкафа или короба, стоящего на полу, необходимо приложить некоторую силу. Величина, которая препятствует этому смещению, называется трением покоя.
Следующий вид - это трение скольжения. По абсолютной величине оно, как правило, на 10-30 % меньше трения покоя. Эта сила проявляет себя, когда два тела скользят друг по другу. Например, движение конькобежца или лыжника возможны благодаря небольшому значению трения скольжения. В то же время скользить в ботинках по асфальту нельзя из-за значительной силы трения.
Трение качения действует, когда тело с круглой поверхностью катится по некоторой плоскости. Например, движение шарика или ролика в подшипнике или колеса по дороге. В ряде случаев величина трения качения на один-два порядка меньше, чем трения скольжения.
Любые перемещения в жидкостях и газах также сопровождаются появлением трения. В отличие от предыдущих видов, трение в текучих субстанциях зависит от скорости перемещения объекта в них.
Важно понимать, что какой бы вид трения ни рассматривался, соответствующая сила всегда препятствует механическому движению.
Трение покоя и коэффициент µ1
Чтобы понять, от чего зависит коэффициент трения, следует сначала дать ему определение. Начнем с трения покоя. Соответствующая сила математически рассчитывается по следующей формуле:
F1 = µ1 * N.
Где N - реакция опоры, на которой находится тело, µ1 - коэффициент трения покоя. От чего зависит последняя величина:
- Во-первых, от материалов трущихся поверхностей. Очевидно, что µ1 будет гораздо меньше для пары дерево-лед, чем для пары дерево-дерево.
- Во-вторых, от качества обработки поверхностей. Так, если шероховатость (величина микроскопических впадин и пиков и их количество на поверхностях) будет значительной, то коэффициент µ1 тоже будет большим.
- В-третьих, µ1 зависит от температуры тел. В некоторых случаях изменение температуры может существенно поменять характер самого трения. Так, понижение температуры льда приводит к тому, что он перестает скользить, то есть µ1 возрастает.
Заметим, что от площади контакта двух тел µ1 не зависит.
Трение скольжения и коэффициент µ2
По своей физической природе трение скольжения существенно не отличается от трения покоя. Формулы, по которым рассчитываются силы для этих видов явления, также имеют одинаковую форму. Для силы скольжения имеем:
F2 = µ2 * N.
Единственным отличием в формулах является то, что в последнем случае используется величина µ2 - коэффициент трения скольжения. От чего зависит величина? Кратко говоря, µ2 определяется теми же факторами, что и µ1. Поскольку происходит процесс скольжения, то пики и впадины на поверхностях не успевают перейти в плотный механический контакт. Также не успевают образоваться слабые межмолекулярные взаимодействия. Все это обуславливает тот факт, что µ2 < µ1.
Как в случае трения покоя, так и в случае скольжения главной причиной их возникновения является поверхностная шероховатость. Если от нее каким-либо образом избавиться, то можно значительно уменьшить силы F1 и F2. Для этой цели в настоящее время создано большое количество смазочных материалов. Слой смазки приводит к пространственному разделению контактов твердых поверхностей, поэтому силы трения значительно уменьшаются.
Отметим, что коэффициент µ2 не зависит от площади контакта и от скорости скольжения (при больших скоростях он начинает плавно уменьшаться).
Трение качения и коэффициент CR
Сразу следует сказать, что причина появления трения качения является совершенно иной, чем для предыдущих рассмотренных видов. Трение качения возникает за счет гистерезиса упругой деформации катящегося тела. Если бы этой деформации не было, то трение качения было бы равно почти нулю.
Сила трения качения F3 определяется так:
F3 = CR * N.
Здесь CR - качения трения коэффициент. От чего зависит CR? Во-первых, он обратно пропорционален радиусу катящегося тела. Во-вторых, он сильно зависит от твердости контактирующих объектов, чем выше эта твердость, тем меньше CR.
Значения коэффициентов CR так же, как значения µ1 и µ2, приведены в специальных таблицах.
Коэффициент трения в жидкостях и газах
Трение в текучих субстанциях имеет более простую природу, чем то же явление между твердыми телами. Она заключается в механическом взаимодействии с частицами субстанции при движении тела в ней.
Тем не менее, математическое описание энергетических потерь, связанных с этим трением, является достаточно сложным. Соответствующее уравнение называется формулой Дарси-Вейсбаха. Здесь мы не будем приводить ее, а лишь скажем, что для оценки отмеченных потерь использует понятие гидравлического коэффициента трения. От чего зависит его значение? Этот коэффициент определяется режимом течения (ламинарный или турбулентный). Режим же зависит от скорости движения, вязкости и плотности текучей субстанции, а также от диаметра трубы. Все эти параметры позволяют рассчитать так называемое число Рейнольдса, которое однозначно определяет значение коэффициента трения.
