ТРИЕНЕ

Според аксиомите на Нютон, които познавате от средния курс по Физика, ако на едно тяло действа някаква сила, то тялото трябва да се движи ускорително, а след като се премахне силата, то трябва да запази придобитата скорост и да продължи да се движи праволинейно и равномерно. Ежедневната практика обаче привидно противоречи на тези твърдения. При пътуване с автомобил по хоризонтален път или при местене на мебели, наблюдаваме, че когато движещата сила престане да действа (например като си вдигнем крака и освободим педала за подаване на гориво), движението на тялото постепенно се забавя и накрая то спира. Това е така, защото допиращите се до движещото се тяло твърди тела, течности и газове му действат със сили, чиито посока е обратна на посоката на движението, Поради това те намаляват скоростта на тялото и накрая го спират. Тези сили се наричат “сили на триене” и играят важна роля в техниката. В някои от другите учебни дисциплини подробно ще се запознаете с т.н. "вътрешно триене", което възниква при взаимодействие на съставните частички на обекта, когато те се преместват една спрямо друга. Такива сили се наблюдават предимно при течности и газове. При твърдите тела, които ще разгледаме тук, силите на триене са мярка за определен тип взаимодействие на тялото с околната среда и действат по околната повърхност на тялото.

1. Видове триене

Съпротивлението, което едно твърдо тяло среща при изменение на разположението си спрямо друго твъро тяло с което се допира, се нарича външно триене.

Съпротивлението, което съпътства изменението на взаимното разположение на частиците в непрекъсната среда ( най-често при течности и газове), се нарича вътрешно триене. Понататък ще бъде разглеждано само външното триене.

Ако повърхностите на двете тела не са разделени от трета среда и те контактуват пряко, триенето се нарича сухо.

Когато между триещите се повърхности има трета среда (флуид), която напълно ги разделя, триенето се нарича “течно”. Тъй като силите на привличане между частиците на твърдото тяло и флуида са по-големи от тези само между частиците на флуида, то те се “залепват” към твърдото тяло. Образуват се два слоя от флуида, които се движат заедно с триещите се повърхности, а разместването се реализира във вътрешността на флуида. Поради това течното триене се разглежда като вътрешно триене.

Когато между триещите се повърхности има трета среда (флуид), която обаче не ги разделя напълно, триенето сенарича смесено (полусухо или полутечно). Понататък ще бъде разглеждано само сухото триене.

В зависимост от вида на движението на едното твърдо тяло върху другото, сухото триене може да се разглежда като триене при плъзгане и триене при търкаляне.

При сухото триене съпротивителната сила възниква не само при движение, но и при опит да се предизвика движение. В двата случая говорим за триене при движение и триене при покой.

2. Общи теории за триенето

За анализ на процесите, свързани с триенето, са създадени различни теории, отразяващи особеностите на различните материали, гладкостта на триещите повърхности и действащото налягане.

Фиг. 1

Теории за механичното зацепване Тези теории са основани на механичното зацепване на микрограпавостите на двете повърхности, така, както е показано на фиг. 1. Една група теории приема, че силите на триене се обясняват с микроповдигането на едното тяло при плъзгането му върху второто, (например при т.С на фиг.1, анимация1, анимация2). Друга група теории приема за основни деформациите и разрушаването на микроиздатъците на двете триещи се повърхности (например срязване в областта на т.С на фиг.1, анимация).

Теории за молекулярното взаимодействие Установено е, че в някои случаи атомите от едното тяло “прихващат” атоми от другото тяло в областта на контакта. В този случай съпротивителната сила се явява като резултат на разкъсване на междуатомните връзки при плъзгане на контактните повърхности.

Теория за електростатичното взаимодействие Съгласно тази теория, съпротивителната сила се поражда от поток електрони между заредените повърхности с различна полярност в зоната на контакта. Предполага се, че тези заряди притеглят повърхностите една към друга с електростатични сили.

Теория, основана на възможността за “заваряване” на повърхностите При тази теория се предполага, че голямото налягане, което може да настъпи в околността на контакта на микроиздатините, става причина за свързване на материалите на двете триещи се повърхности. При плъзгане тези свързани области трябва да бъдат срязани, от където произтича и съпротивителната сила.

Въпреки че общите теории се основават на явления, близки до физическата същност на триенето, те рядко се излагат подробно в учебните курсове по “Техническа механика”, поради сравнително сложния си аналитичен апарат. Обикновено анализът на този процес се основава на класическите закони на триенето.

Фиг.2

3. Класически опит за определяне на силата на триене

Първите наблюдения върху проявите на сухо триене при твърдите тела са проведени от Кулон (1785г.). Една класическа постановка на опита за определяне на силата на триене е наблюдаване на плъзгането на паралелепипедно тяло с тегло G върху хоризонтална равнина (плот, фиг.2). В единия край на тялото е приложена постепенно-нарастваща сила Р. Това може да стане, като на едната стена се закрепи гъвкава нишка, която се прехвърля през ръба на плота с помощта на макара, а на другия й край има съд с тежести (например оловни топчета). С постепенното увеличаване на тежестите се осъществява постепенно нарастване на силата Р, която се стреми да задвижи тялото (в случая на фиг.2 - на дясно). Едновременно с това в областта на контакта на тялото с равнината се формира съпротивителна сила S (в случая на фиг.2 - на ляво). При това се наблюдават следните етапи:

- В началото тялото остава в покой, което означава, че съпротивителната сила уравновесява активната сила Р, или S=Р.

- При увеличаване на силата Р настъпва момент, в който тялото преминава в движение, което означава, че съпротивителната сила е достигнала максималната си стойност и по-вече неможе да уравновесява силата Р. Тази максимална стойност се нарича сила на триене в покой при тенденция за плъзгане То. Понататък процесът преминава в триене при движение, а силата на триене се означава с Т.

Кулон е провел този опит многократно при различни условия и е установил следните класически закони на триенето:

· Силата на триене е пропорционална на нормалната реакция на равнината.

Фиг. 3

В разглеждания случай на хоризонтална равнина, нормалната реакция N е равна на теглото G на тялото (фиг.3). Аналитичният израз на закона е

T₀ = μ₀ N и T = μ N , ( 1 )

където μ₀ е коефициент на триене в покой при тенденция за плъзгане (статичен коефициент на триене), а μ е коефициент на триене при движение (кинетичен коефициент на триене). Като коефициент на пропорционалност между величини с еднаква размерност, коефициентът на триене няма дименсия.

· Коефициентът на триене не зависи от номиналната площ на контакта.

Ако същият опит се проведе като тялото се постави да контактува с равнината по някоя от другите си страни, както е показано на фиг.4, силата Т₀ остава същата.

Фиг. 4

· Статичният коефициент на триене и по-голям от кинетичния.

· Кинетичният коефициент на триене не зависи от скоростта на плъзгане.

4. Определяне на коефициента на триене

Един от начините за определяне на коефициента на триене μ₀ е от класическата опитна постановка, като се регистрира максималната съпротивителна сила. Тогава от уравнение (1) се получава μ₀ = T /N. Тъй като в опита участват две тела (трибо-двойка), то и полученият коефициент на триене ще важи само за комбинацията на техните материали. Когато понякога се казва, че "коефициентът на триене за стоманата е 0.15", това означава, че този коефициент важи за триене на стомана върху стомана. За илюстрация на порядъка на числото μ₀ може да се спомене, че например за плъзгане на стомана върху лед то е 0.027, а на кожа върху чугун е 0.28. Подробни данни се съдържат в съответните справочници. Някои основни трибо-двойки може да намерите и като щракнете тук.

Фиг.5

При друга опитна постановка тялото се поставя свободно върху равнината, която се наклонява спрямо хоризонта под ъгъл φ (фиг.5). Ъгълът φ се увеличава постепенно до момента в който тялото започне да се плъзга по равнината (анимация). В този момент се приема, че активната сила Р, предизвикваща движението, се уравновесява със силата на триене T₀, която се противопоставя на движението (Р=T₀). Активната сила Р е компонентата на силата на теглото, успоредна на равнината: Р = G sin φ. Компонентата на силата на теглото, нормална на равнината е N = G cos φ. Така от уравнение (1) T₀ = μ₀ N, за коефициента на триене се получава:

T₀ = Р = μ₀ N, от където μ₀ = P /N = G sin φ/ G cos φ, или μ₀ = tg φ ( 2 )