Тема 6. Понятие о трении. Виды трения

Трение – сопротивление, возникающее при движении одного шероховатого тела по поверхности другого. При скольжении тел возникает трение скольжения, при качении – трение качения. Природа сопротивлений движению в разных случаях различна. Трение является сложным физико-механическим явлением. Оно возникает вследствие шероховатости поверхности и действия молекулярного сцепления между частицами прижатых друг к другу тел. Трение зависит от материала трущихся тел, температуры, наличия между телами смазки, скорости скольжения других факторов, учет которых затруднен.

Трение скольжения. Рассмотрим простейший случай – трение между негладкой горизонтальной поверхностью и лежащим на ней тяжелым негладким телом. Причина трения – механическое зацепление микронеровностей соприкасающихся поверхностей. Сила сопротивления движению при скольжении называется силой трения скольжения (рис. 3.1.43, а).

З аконы трения скольжения:

1. Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормального давления:

F_тр = F_f = fN,

где N – сила нормального давления, направлена перпендикулярно опорной поверхности;

f – коэффициент трения скольжения.

В случае движения тела по наклонной плоскости (рис. 3.1.43, б)

R = Gcos ,

где  – угол наклона плоскости к горизонту.

Сила трения всегда направлена в сторону, обратную направлению движения.

2. Сила трения меняется от нуля до некоторого максимального значения, называемого силой трения покоя (статическое трение):

0 < F_f < F_{f 0},

где F_{f 0} – статическая сила трения (сила трения покоя).

3. Сила трения при движении меньше силы трения покоя. Сила трения при движении называется динамической силой трения (F_f ):

F_f F_{f 0.}

Поскольку сила нормального давления, зависящая от веса и направления опорной поверхности, не меняется, то различают статический и динамический коэффициенты трения:

F_f = f R; F_f0 = f₀ N.

Коэффициент трения скольжения зависит от следующих факторов:

1 . Материал. Материалы делятся на фрикционные (с большим коэффициентом трения) и антифрикционные (с малым коэффициентом трения), например, f = 0,1–0,15 (при скольжении стали по стали всухую), f = 0,2–0,3 (при скольжении стали по текстолиту).

2. Наличие смазки. Например, f = 0,04–0,05 (при скольжении стали по стали со смазкой).

Угол ₀ между направлениями нормальной реакции (N) и полной реакции (R_max), соответствующей максимальному значению силы трения скольжения в покое (F_{тр. max}), называется углом трения.

Из рис. 3.1.44 видно, что

.

Так как F_max = f₀ N, то отсюда находим следующую связь между углом трения (₀) и коэффициентом трения скольжения в покое (f₀):

f₀ = tg₀,

т.е. коэффициент трения скольжения в покое равен тангенсу угла трения.

Конус с вершиной в точке касания тел, образующая которого составляет угол трения с нормалью к поверхности трущихся тел, называется конусом трения (рис. 3.1.45).

Если коэффициент трения скольжения в покое при скольжении тела по поверхности, которая служит связью, в различных направлениях один и тот же, то полная реакция этой связи (R_mах) отклоняется от нормальной реакции (N) во всех направлениях на одинаковый угол трения ₀, и конус трения будет круглым с углом при вершине, равным 2₀. Однако это условие не соблюдается, например, при скольжении по дереву в направлении волокон и в направлении, перпендикулярном к ним. Конус трения в этом случае будет сплющен в направлении волокон.

Рис. 3.1.45

До тех пор пока линия действия равнодействующей всех сил, приложенных к телу, каков бы ни был ее модуль, проходит внутри конуса трения, скольжение тела по связи не возникает (  ₀). Этим объясняются известные явления заклинивания, или самоторможения частей машины, когда никакой приложенной внутри конуса трения силой не удастся сдвинуть с места соответствующую часть машины.

Трение качения. Сопротивление при качении связано с взаимной деформацией грунта и колеса и значительно меньше трения скольжения.

Обычно грунт считают мягче колеса, тогда в основном деформируется грунт, и в каждый момент колесо должно перекатываться через выступ грунта. Для равномерного качения колеса необходимо прикладывать силу F_дв (рис. 3.1.46).

У словие качения колеса состоит в том, что движущий момент должен быть не меньше момента сопротивления:

F_дв r  Nk: N = G; ,

где k – максимальное значение плеча (половина колеи), принимается за коэффициент трения качения, см.

Ориентировочные значения k (определяются экспериментально): сталь по стали – k = 0,005 см, резиновая шина по шоссе – k = 0,24 см.