Жидкое трение.

Трение о жидкую или газообразную среду называется жидким или вязким трением. Причины возникновения сил вязкого трения мы рассмотрим в главе, посвященной гидродинамике. Здесь же отметим их некоторые характерные особенности. При вязком трении отсутствует си­ла трения покоя. Достаточно слегка дунуть на плавающее в ванне с водой тело, чтобы оно пришло в движение. Человек, отталкиваясь шестом от дна реки, легко заставляет двигаться , лодку с большим грузом.

В отсутствие относительной скорости сила жидкого трения равна нулю. При возникновении относительной скорости величина жидкого трения с увеличением скорости растет сначала линейно, а затем пропорционально квадрату скорости. При скоростях, больших скорости звука в данной среде (сверхзвуковая скорость), сила трения пропорциональна примерно кубу скорости. Характер зависимости силы жидкого трения от скорости для обыч­ных (дозвуковых) скоростей иллюстрирует рисунок 7.

Рис.7

Для малых скоростей

(4)

для больших скоростей

(5)

Значения коэффициентов пропорциональности r₁ и г₂ зависят от свойств среды, размеров и формы тела и состояния поверхности тел. Знак в формуле (5) выбирается противоположным знаку скорости. Возрастание силы жидкого трения при увеличении скорости обусловливает существование предельной скорости, с которой тело может

двигаться в сопротивляющейся среде под действием постоянной силы. Уравнение движения в этом случае запишется в виде

(6)

где F -- постоянная сила, действующая на тело, F_v — сила трения (функция скорости), m— масса тела.

При свободном падении в воздухе или воде F=G_эф, где G_эф—эффективный вес тела (разность между весом тела в пустоте и выталкивающей силой, действующей на тело в жидкости или газе в соответствии с законом Архимеда):

(7)

В первый момент падения (v=0) сила F_v=0 и ускорение тела имеет максимальное значение, соответствующее действию силы G_эф. Затем, так как эффективный вес тела постоянен, а сила трения F_v с увеличением скорости возрастает, разность G_эф-F_v уменьшается, в конце концов, обращаясь в нуль. При этом ускорение становится равным нулю и скорость падения тела принимает некоторое «установившееся» значение, которое не меняется вплоть до достижения телом поверхности земли или дна водоема (если при этом не меняются свойства среды, в которой происходит движение,— ее плотность и вязкость). Значение скорости установившегося движе­ния в данной среде под действием данной силы зависит от вида за­висимости силы трения, от скорости движения тела и значения ко­эффициента пропорциональности r, т. е. в конечном счете, от свойств среды, формы и размеров тела, состояния его поверхности. Так, для человека среднего веса, падающего в воздухе с закрытым пара­шютом, скорость установившегося падения примерно 60 м/сек, а при падении с раскрытым парашютом 5—6 м/сек.

Действие сил трения. Смазка.

В повседневной жизни мы на каждом шагу сталкиваемся с дей­ствием сил трения. Вытаскивая гвоздь из стены, мы преодолеваем силу трения. При движении автомобиля или другого экипажа с постоянной скоростью по ровной горизонтальной дороге мощность, развиваемая его двигателем, расходуется на преодоление разных видов трения в механизме автомобиля и между его колесами и полот­ном дороги. Колоссальное количество бензина, угля и нефти идет на то, чтобы восстановить потери механического движения, связан­ные с преодолением сил трения в машинах, самолетах и наземных экипажах различного типа. Поэтому уменьшение трения дает эко­номию огромных материальных ценностей.

Борьба с трением в машинах, на транспорте сводится к замене сухого трения скольжений трением других видов. В частности, наиболее распространенный способ уменьшения трения — смазка — состоит в замене сухого трения трением жидким. Смазка заполняет углубления, выемки, трещины поверхностей твердых тел и об­разует между ними жидкий слой, разъединяющий эти поверхности и препятствующий взаимодействию их молекул. При движении тел происходит скольжение слоев жидкости друг относительно, друга. Замена сухого трения внутренним трением смазки уменьшает тре­ние в 8—10 раз.

Теория смазки была создана русским ученым Я. Я. Петровым. Наиболее строгая теория смазки была разработана Я. Е. Жуков­ским и С. А. Чаплыгиным.

Второй весьма эффективный способ снижения трения — заме­на скольжения качением (в шарикоподшипниках) — мы разберем ниже.

В измерительной технике для повышения чувствительности и точности измерительных приборов имеет большое значение борьба с явлением «застоя». В разного рода стрелочных приборах об измеряемой величине судят по смещению стрелки от нулевого положе­ния. Благодаря наличию трения покоя это смещение начинается, когда измеряемая величина уже достигнет некоторого значения. Это явление приводит к тому, что чувствительность таких приборов (в которых движение указателя осуществляется со скольжением) не может превзойти некоторого предела. Величина силы трения покоя сказывается и на точности прибора, так как стрелка может остано­виться на делении, не соответствующем действительному значению измеряемой величины. Поэтому в прецизионных измерительных приборах указатели укрепляются не в подшипнике, а на подвесе, что позволяет избежать сухого трения.

Однако полное исчезновение трения повлекло бы за собой весьма неприятные последствия. Ни человек, ни автомобиль, ни какой-ли­бо механизм, как мы знаем, не могли бы двигаться под действием внутренних сил, так как эти силы лишь сближают или раздвигают отдельные части тел. Трение служит той внешней силой, которая ослабляет или уравновешивает действие одной из внутренних сил и позволяет другой силе перемещать тело. Человек при ходьбе, занося ногу вперед, отрывает ее от земли, а другой ногой опирается о землю. Нога, стоящая на земле, испытывает на себе действие двух сил: мускульной, толкающей ее назад, и силы трения покоя, урав­новешивающей эту силу. В результате эта нога остается на месте, в то время как приподнятая, испытывая лишь небольшое сопротив­ление со стороны воздуха, перемещается вперед. При движении тепловоза сила трения колес о рельсы является движущей силой, не позволяя им скользить; благодаря трению не проскальзывает по шкиву ремень, передающий движение от двигателя к станку. Во всех рассмотренных случаях проявляется сила трения покоя. Поэтому трение покоя иногда называют ведущим трением.

В отсутствие силы трения гвоздь не удержался бы в доске; вин­товые, шпоночные соединения распались; любая машина, едва придя в движение, рассыпалась бы на составные части.

Рис.8

Многим знакомо явление «заноса» автомобиля при резком тор­можении на скользкой дороге. При торможении колеса автомобиля начинают с большой скоростью скользить по льду (рис.8). Сила трения скольжения направлена в сторону, противоположную

скорости движения. Положим, под действием силы возникло скольжение колеса с малой скоростьюв направлении, перпендикулярноми одновременно возникла направленная проти­воположно скоростисила трения. Результирующая скорость скольжения:Сила трения направлена противи имеет значениеF_тр. Можно считать, что, так как силы трения с изменением скорости меняются мало. Тогда составляющая силы трения в направлении, противоположном, равна:. Но еслиv₂<<v₁, угол мал и

или

Сила трения в направлении, перпендикулярном скольжению, зависит от скорости движения v₂ в этом направлении. Трение в на­правлении, перпендикулярном движению, приобретает характер жидкого трения, так как если, то и сила: достаточно небольшой силы, чтобы возникло движение вбок. Вследствие этого же явления приводные ремни слетают со шкива при резком умень­шении скорости его движения; вращающееся сверло или бур легко входит в металл, дерево или землю и вытаскивается из них (чтобы вытащить неподвижное сверло из металла или бур из земли, часто требуются значительные усилия).

Лекция 15.Упругие свойства твердых тел. Виды упругих деформаций. Закон Гука для разных деформаций: односторонне растяжение (сжатие), всестороннее сжатие, сдвиг, кручение. Модуль упругости, коэффициент Пуассона.