5. Особенности взаимодействия твердых тел

5.1. Контактирование гладких поверхностей твердых тел

Понятие "идеально гладкая" для поверхности является идеализированным, поскольку "идеально гладких" поверхностей в окружающем нас мире нет. Наиболее гладкими можно считать, например, поверхность скола кристалла слюды или другого минерала. Однако, если иметь в виду, что кристаллы представляют собой систему атомов или ионов, имеющих свои сферические электрические поля, и расположенные на некотором расстоянии друг от друга, то на самом деле и в этом случае они представляют собой некоторую сложной формы поверхность, образованную рядом сфер, удаленных друг от друга на некоторое расстояние. Поэтому к понятию "идеально гладкой" поверхности следует относиться очень осторожно, понимая при этом, что тонкие взаимодействия, происходящие на микроуровнях, на настоящем уровне развития мы еще неспособны наблюдать, и заведомо оставляем за собой возможность анализировать только процессы, происходящие на надмолекулярном уровне или еще более грубом. В этом случае поверхности, которыми мы будем манипулировать, будем считать гладкими.

При соприкосновении двух гладких реальных тел следует различать явно выраженные номинальную (кажущуюся) А_а, контурную А_с и фактическую (истинную) А_r площади контакта (рис. 5.1), каждая из которых обладает специфическими свойствами.

Рис. 5.1. Схема контактирования реальных твердых тел

Номинальная площадь контакта НПК (А_а) - определяется внешними геометрическими размерами контактной зоны этих тел.

Контурная площадь контакта КПК (А_с) представляет собой совокупность пятен контакта, группирующихся на вершинах волн соприкасающихся поверхностей. Ее можно зафиксировать по отпечаткам на бумаге, фольге или краске специально вводимых в зону контакта твердых тел.

Фактическая площадь контакта ФПК (А_r) - это совокупность контактов микронеровностей, образующих шероховатость поверхности.

С увеличением нагрузки фактическая и контурная площади контакта возрастают. Однако для многих случаев и материалов ФПК составляет не более 0,01...0,1 %, а КПК порядка 5...15 % от номинальной площади контактирующих тел. При очень высоких нагрузках и нагреве А_с приближается к А_a.

Нормальная нагрузка, отнесенная к фактической площади контакта, характеризует фактическое давление Р_r, нагрузка же, отнесенная к контурной площади - контурное давление Р_с. Контурное давление обычно в несколько раз превышает номинальное давление Р_а между телами. Благодаря этому очень часто материал на микровыступах деформируется пластически (рис. 5.2) и становится способным проявлять свои реологические свойства, что сказывается на изменении ряда характеристик материала (например, таких, как сопротивление сдвигу, вязкость и др.) в зависимости от скорости воздействия на тело внешней силы. В то же время на некотором удалении от мест пластического контакта материал деформируется упруго.

Рис. 5.2. Напряженное состояние контакта реальных твердых тел:

1 - область пластического течения материала; 2 - область упругой

деформации с разными уровнями напряженного состояния материала