Сили на триене между повърхностите на твърдите тела. Сила на триене

1. Цел на работата

Изследване на явлението сухо триене и експериментално определяне на коефициентите на статично триене, триене на плъзгане и триене при търкаляне.

2. Съдържание на работата

Сили триеневъзникват между допиращи се тела или техните части както по време на относително движение, така и по време на относителна почивка. Триенето се нарича външенако действа между различни контактуващи тела, които не образуват едно тяло (например триене между шина и наклонена равнина, върху която лежи или от която се плъзга). Ако триенето се прояви между различни слоеве течност или газ, чиито скорости непрекъснато се променят от слой в слой, триенето се нарича вътрешен... Силите на триене са насочени тангенциално към триещите се повърхности (или слоеве), така че да устоят на движението на тези повърхности (слоеве).

Триенето между повърхностите на две контактуващи твърди частици при липса на течен или газообразен слой (смазка) между тях се нарича суха... Ако контактуващите тела се движат един спрямо друг, те се различават плъзгащо триенеи търкане на търкаляне... Сухото триене възниква не само когато едно тяло се плъзга по повърхността на друго, но и когато се прави опит да се предизвика такова подхлъзване. В последния случай се нарича триене триене в покой.

Триенето между повърхностите на твърдо вещество и околната течна или газообразна среда, в което се движи, както и триенето между части от такава среда, се нарича течностили вискозен.

Механизъм на възникване статично триенее както следва: повърхността дори на добре полирано твърдо вещество има микро издатини, пукнатини, вдлъбнатини. Запълването на тези издатини ще предотврати относителното движение на контактуващите тела.

В някои области разстоянието между контактуващите тела може да бъде от порядъка на радиуса на действие на молекулярните сили. Това води до залепване на тела в тези области, което също предотвратява относителното им движение.

Въвеждането на микро издатини и частично сцепление на повърхностите насърчава нормална сила на наляганепритискане на твърди тела заедно. Тази сила може да бъде силата на гравитацията или нейния нормален компонент, както и всяка друга сила, перпендикулярна на повърхността на контактуващите тела.

Когато никаква сила не действа върху едно тяло по повърхността на контакта му с друго, тогава статичната сила на триене е нула. С увеличаване на величината на външната сила, противоположно насочената сила на триене на покой също ще се увеличи, така че сумата от тези сили ще остане равна на нула и тялото няма да започне да се движи. Тялото ще остане в покой, докато приложената към него външна сила не надвиши максималната сила на триене в покой. Външна сила, която е по -малка от максималната сила на статично триене, причинява главно еластични деформации на микро издатини и области, където действат сили на молекулно сближаване.

Зависимостта на силата на триене от големината на външната сила е показана на фиг. 1. Парцел Аз съответства на триенето в покой. Местоположението е включено II тялото се привежда в движение, а силата на триене в покой се прехвърля на силата на триене на плъзгане.

Максимална сила на статично триене Ftr не зависи от размера на повърхността, по която телата се докосват, и е пропорционална на силата н нормално налягане, числено равно на реакционната сила на опората.

F tr = μN. (1)

Безразмерен коефициент на пропорционалност μ Наречен коефициент на статично триене, зависи от материала на повърхностите, техния микрогеометричен профил и други фактори. Изразява се (1) Законът на Амонтън.

Ако силата, действаща върху тяло по повърхността на контакта му с друго тяло, е по -голяма от граничната стойност на статичната сила на триене, тогава тялото получава ускорение и статичната сила на триене се трансформира в сила плъзгащо триене... Силата на триене на плъзгане зависи както от естеството и състоянието на триещите се повърхности, така и от относителната скорост на телата. Отначало с увеличаване на относителната скорост големината на силата на триене намалява леко и след това започва да расте. В случай, че състоянието на повърхностите не се променя (поради изглаждане на повърхността, нагряване и т.н.), силата на триене на плъзгане се оказва практически независима от скоростта и равна на максималната сила на статично триене.

Триенето на плъзгане възниква в резултат на пластична деформация на микро издатини и тяхното частично разрушаване. Взаимното плъзгане на тела води до намаляване на ангажирането на микро издатини и намаляване на адхезията на повърхностите, в резултат на което коефициентът на триене на плъзгане е по -малък от коефициента на статично триене.

Тъй като силата на триене на плъзгане е насочена в посока, обратна на скоростта на тялото, тогава работата на триене винаги е отрицателна... Движението при наличие на сила на триене се придружава от разсейванемеханична енергия, т.е. преминаването му във вътрешната енергия на триещите се тела.

Ако цилиндрично (или сферично) тяло се търкаля по равна или извита повърхност, тогава между тях възниква сила търкане на търкаляне... Появата на тази сила е възможна само в случай на нееластични деформации на търкалящото тяло и повърхността (фиг. 2, а).

Теми на кодификатора USE: сили в механиката, сила на триене, коефициент на триене на плъзгане.

Сила на триене е силата на взаимодействие между контактуващите тела, която предотвратява движението на едно тяло спрямо друго. Силата на триене винаги е насочена по повърхностите на контактуващите тела.

В училищната физика се разглеждат два вида триене.

1.Сухо триене... Това се случва в зоната на контакт на повърхностите на твърди тела при липса на течен или газообразен слой между тях.
2.Вискозно триене.Това се случва, когато твърдото вещество се движи в течна или газообразна среда или когато един слой от средата се движи спрямо друг.

Сухото и вискозно триене са от различно естество и се различават по свойствата. Нека разгледаме тези видове триене отделно.

Сухо триене.

Сухо триене може да възникне дори при липса на относително движение на телата. По този начин тежък диван остава неподвижен със слаб опит да го премести от мястото си: нашата сила, приложена към дивана, се компенсира от силата на триене, която възниква между дивана и пода. Силата на триене, която действа между повърхностите на тела в покой и предотвратява появата на движение, се нарича статична сила на триене.

Защо изобщо се появява статичната сила на триене? Прилежащите повърхности на дивана и пода са грапави, осеяни с микроскопични, невидими подутини с различни форми и размери. Тези неравности се хващат една за друга и не позволяват на дивана да започне да се движи. Следователно силата на триене в покой се причинява от силите на електромагнитно отблъскване на молекулите, произтичащи от деформации на туберкулите.

С постепенно увеличаване на силата, диванът все още не се поддава и стои неподвижен - статичната сила на триене се увеличава с увеличаването на външното влияние, като остава равна по величина на приложената сила. Това е разбираемо: деформациите на туберкулите се увеличават и отблъскващите сили на техните молекули се увеличават.

И накрая, с определено количество външна сила, диванът се движи от мястото си. Силата на статично триене достига максималната си възможна стойност. Деформациите на туберкулите са толкова големи, че туберкулозите не могат да издържат и започват да се срутват. Появява се подхлъзване.

Силата на триене, която действа между плъзгащите се повърхности, се нарича плъзгаща сила на триене. В процеса на плъзгане връзките между молекулите в преплетените неравности на повърхностите се разрушават. Няма такива прекъсвания по време на триене в покой.

Обясняването на сухото триене по отношение на туберкули е възможно най -просто и интуитивно. Реалните механизми на триене са много по -сложни и тяхното разглеждане излиза извън рамките на елементарната физика.

Силата на триене на плъзгане, приложена към тялото от страната на грапава повърхност, е насочена срещу скоростта на тялото спрямо тази повърхност. При промяна на посоката на скоростта се променя и посоката на силата на триене. Зависимостта на силата на триене от скоростта е основната разлика между силата на триене и силите на еластичност и гравитация (чиято величина зависи само от относителното положение на телата, тоест от техните координати).

В най -простия модел на сухо триене са изпълнени следните закони. Те са обобщение на експериментални факти и са приблизителни.

1. Максималната стойност на статичната сила на триене е равна на силата на триене на плъзгане.
2. Абсолютната стойност на плъзгащата сила на триене е правопропорционална на силата на реакцията на опората:

Коефициентът на пропорционалност се нарича коефициент на триене.

3. Коефициентът на триене не зависи от скоростта на движение на тялото върху грапава повърхност.
4. Коефициентът на триене не зависи от площта на контактните повърхности.

Тези закони са достатъчни за решаване на проблеми.

Задача.На хоризонтална грапава повърхност има щанга с тегло kg. Коефициент на триене. Към шината се прилага хоризонтална сила. Намерете силата на триене в два случая: 1) при 2) при.

Решение: Нека направим чертеж, подредим сили. Силата на триене се обозначава (фиг. 1).

Ориз. 1. Към задачата

Нека напишем втория закон на Нютон:

(1)

Лентата не се движи по оста ,. Проектирайки равенството (1) върху оста, получаваме :, откъдето.

Максималната стойност на статичната сила на триене (тя е и силата на триене на плъзгане) е

1) Силата е по -малка от максималната сила на статично триене. Лентата остава на място и силата на триене ще бъде статичната сила на триене:
2) Силата е по -голяма от максималната сила на статично триене. Лентата ще започне да се плъзга, а силата на триене ще бъде силата на триене на плъзгане :.

Вискозно триене.

Силата на съпротивление, която възниква, когато тялото се движи във вискозна среда (течност или газ), има напълно различни свойства.

Първо, няма статична сила на триене. Например, човек може да движи плаващ многотонен кораб само като дърпа въжето.

Второ, силата на съпротивлението зависи от формата на движещото се тяло. Корпусът на подводница, самолет или ракета има опростена форма, подобна на пура, за да намали силата на съпротивление. Напротив, когато полусферично тяло се движи с вдлъбната страна напред, силата на съпротивление е много висока (например парашут).

Трето, абсолютната стойност на силата на съпротивление значително зависи от скоростта. При ниски скорости силата на плъзгане е правопропорционална на скоростта:

При високи скорости силата на плъзгане е правопропорционална на квадрата на скоростта:

Например при падане във въздуха зависимостта на силата на съпротивление от квадрата на скоростта се осъществява дори при скорости от около няколко метра в секунда. Коефициентите и зависят от формата и размера на тялото, от физическите свойства на повърхността на тялото и вискозната среда.

И така, парашутист с дълъг скок не набира скорост безкрайно, но от определен момент започва да пада с постоянна скорост, при която силата на съпротивление става равна на силата на тежестта:

Следователно стационарната скорост:

(2)

Задача.Две метални топки, еднакви по размер и различни по маса, падат без начална скорост от една и съща голяма височина. Коя топка ще удари земята по -бързо - лека или тежка?
Решение.От формула (2) следва, че стационарната скорост на падане е по-висока за тежка топка. Това означава, че ще отнеме повече време за набиране на скорост и следователно ще достигне по -бързо до земята.

Силата на триене е силата на съпротивление на движението на контактуващи тела едно спрямо друго.

Триенето се обяснява с две причини: неравности на триещите се повърхности на телата и молекулярни взаимодействия между тях. Ако излезем извън границите на механиката, тогава трябва да се каже, че силите на триене са с електромагнитен произход, както и силите на еластичност. Всяка от горните две причини за триене в различни случаи се проявява в различна степен. Например, ако контактните повърхности на твърди триещи се тела имат значителни неравности, тогава основният член в силата на триене, възникващ тук, ще се дължи именно на това обстоятелство, т.е. неравности, грапавост на повърхностите на триещи се тела.

Телата, които се движат с триене едно спрямо друго, трябва да докосват повърхности или да се движат едно в другата среда. Движението на тела един спрямо друг може да не възникне поради наличието на триене, ако движещата сила е по -малка от максималната сила на триене в покой.

Ако контактните повърхности на твърди триещи се тела са идеално полирани и гладки, тогава основният срок на силата на триене, възникващ в този случай, ще се определя от молекулната адхезия между триещите се повърхности на телата.

Нека разгледаме по -подробно процеса на възникване на плъзгащи сили и сили на триене в покой при кръстовището на две контактуващи тела. Ако погледнете повърхностите на телата под микроскоп, ще видите микрогръбини, които ще изобразим в увеличен вид (фиг. 1, а).

Нека разгледаме взаимодействието на контактуващи тела с примера на една двойка нередности (гребен и депресия) (фиг. 3, б). В случай, че няма сила, която се опитва да предизвика движение, естеството на взаимодействието и в двата наклона на микрогруповете е сходно. При този тип взаимодействие всички хоризонтални компоненти на силата на взаимодействие се балансират помежду си, а всички вертикални компоненти се сумират и съставляват силата N (поддържаща реакция) (фиг. 2, а).

Различна картина на взаимодействието на телата се получава, когато върху едно от телата започне да действа сила. В този случай точките на контакт ще бъдат предимно на левите „склонове“ в шаблона. Първото тяло ще натисне второто. Интензивността на това налягане се характеризира със силата R ". Второто тяло, в съответствие с третия закон на Нютон, ще действа върху първото тяло. Интензивността на това действие се характеризира със силата R (опорна реакция). Силата R може да се разложи на компоненти: силата N, насочена перпендикулярно на контактната повърхност на телата, и сила Fsc, насочена срещу действието на сила F (фиг. 2, б).

След като разгледаме взаимодействието на телата, трябва да се обърне внимание на две точки.

1) Когато две тела взаимодействат в съответствие с третия закон на Нютон, възникват две сили R и R "; за удобство да се вземе предвид при решаването на задачи, ние разлагаме силата R на компоненти N и Fsc (Ffr в случай на движение ).

2) Силите N и FTp имат една и съща природа (електромагнитно взаимодействие); не би могло да бъде иначе, тъй като това са компоненти на една и съща сила R.

Подмяната на плъзгащото триене чрез триене на търкаляне е много важна в съвременните технологии за намаляване на вредното въздействие на силите на триене. Силата на триене при търкаляне се определя като силата, необходима за равномерно праволинейно търкаляне на тяло по хоризонтална равнина. Опитът показва, че силата на триене при търкаляне се изчислява по формулата:

където F е силата на триене при търкаляне; k е коефициентът на триене при търкаляне; P е силата на натиск на търкалящото тяло върху опората и R е радиусът на търкалящото се тяло.

Очевидно от практиката, от формулата е ясно, че колкото по -голям е радиусът на търкалящото се тяло, толкова по -малко препятствия са неравностите на опорната повърхност.

Имайте предвид, че коефициентът на триене на търкаляне, за разлика от коефициента на триене на плъзгане, е наименувана стойност и се изразява в единици дължина - метри.

Триенето на плъзгане се заменя с триене на търкаляне, в необходими и възможни случаи, чрез подмяна на лагери с плъзгащи лагери.

Има външно и вътрешно триене (иначе се нарича вискозитет). Външно триене се нарича такъв вид триене, при който в точките на контакт на твърди тела възникват сили, които възпрепятстват взаимното движение на телата и са насочени тангенциално към техните повърхности.

Вътрешно триене (вискозитет) е видът на триене, който се състои в това, че при взаимно изместване. Слоеве течност или газ между тях възникват тангенциални сили, които предотвратяват такова движение.

Външното триене се подразделя на статично триене (статично триене) и кинематично триене. Триенето в покой възниква между неподвижни твърди тела, когато някое от тях се опита да се движи. Кинематично триене съществува между взаимно контактуващи движещи се твърди тела. Кинематичното триене от своя страна се подразделя на триене на плъзгане и триене при търкаляне.

Силите на триене играят важна роля в човешкия живот. В някои случаи ги използва, а в други се бори с тях. Силите на триене са електромагнитни по природа.

Видове сили на триене.

Силите на триене са електромагнитни по природа, т.е. в основата на силите

триенето се крие в електрическите сили на взаимодействието на молекулите. Те са

зависят от скоростта на движение на телата едно спрямо друго.

Има 2 вида триене: сухо и течно.

1. Триенето на течността е силата, произтичаща от движението на твърдо тяло

тела в течност или газ или когато един слой течност се движи

(газ) спрямо другия и възпрепятства това движение.

В течности и газове няма статична сила на триене.

При ниски скорости в течност (газ):

където k1 е коефициентът на съпротивление, в зависимост от формата, размерите

тяло и от св. сряда. Определено емпирично.

При високи скорости:

където k2 е коефициентът на съпротивление.

2 Сухото триене е силата, генерирана от директно

контакт между телата и винаги е насочен по повърхности

контакт на електромагнитни тела точно чрез разкъсване на молекулярни връзки.

Почивка на почивка.

Помислете за взаимодействието на лентата с повърхността на масата.

Повърхността на контактуващите тела не е абсолютно равна.

Най -голямата сила на привличане възниква между атомите на вещества, които са на минимално разстояние един от друг, тоест върху микроскопични издатини. Общата сила на привличане на атомите в контактуващите тела е толкова значителна, че дори под въздействието на външна сила

Когато приложената сила достигне максималната критична стойност, достатъчна за скъсване на връзките между издатините, щангата започва да се плъзга по масата.

Максималната сила на статично триене не зависи от контактната площ на повърхността.

Според третия закон на Нютон, нормалната сила на натиск е равна по величина на силата на реакцията на опора N.

Максимална сила на статично триене

Коефициентът на статично триене зависи от естеството на повърхностната обработка и от комбинацията от материали, които съставляват контактуващите тела. Качествената обработка на гладки контактни повърхности води до увеличаване на броя на привлечените атоми и съответно до увеличаване на коефициента на триене в покой.

Наблюденията показват, че силата на триене в покой винаги е насочена противоположно на външната сила, действаща върху тялото, стремейки се да приведе това тяло в движение (

Според третия закон на Нютон, силата Fd на налягането на тялото върху опората е равна по величина на силата N на реакцията на опората. Следователно максималната сила на статично триене е пропорционална на реакционната сила на опората. За модулите на тези сили важи следното съотношение:

Fп = fпN, (2.19)

където fп е безразмерен коефициент на пропорционалност, наречен коефициент на статично триене. Стойността на този коефициент зависи от материала и състоянието на триещите се повърхности.

Стойността на коефициента на статично триене може да се определи, както следва. Нека тялото (плосък прът) лежи върху наклонената равнина AB (фиг. 23). На него действат три сили: силата на гравитацията F, силата на триене в покой Fп и реакционната сила на опората N. Нормалният компонент Fп на силата на гравитацията е силата на натиск Fd, създаден от тялото върху опората , т.е.

Тангенциалният компонент Ft на гравитацията е сила, склонна да движи тялото надолу по наклонена равнина.

При малки ъгли на наклон а, силата Ft се уравновесява от статичната сила на триене Fп и тялото е в покой върху наклонена равнина (силата N на реакцията на опора според третия закон на Нютон е равна по величина и противоположна по посока на силата Fd, т.е. тя го балансира).

Триене -съвкупност от явления, които причиняват устойчивост на движение на макроскопични тела едно спрямо друго (външно триене) или елементи от едно и също тяло (вътрешно триене), при които механичната енергия се разсейва главно под формата на топлина. Външно триене възниква на границата между две твърди тела. Вътрешното триене възниква в потоците на течности или по време на деформация на твърдо тяло между части, които се смесват една спрямо друга.

Външно триене (триене)- явлението устойчивост на относително изместване, което възниква между две тела в контактните зони на техните повърхности, допирателно към тях. (ГОСТ 2823-94)

1. Видове външно триене

При наличието на относително движение на две тела в контакт едно с друго, силите на триене, възникващи в този случай, могат да бъдат разделени на:

2. Физическа природа

Физическата природа на триенето не е напълно изяснена. Съществуват различни научни школи, които интерпретират естеството на триене от различни позиции, например от гледна точка на физиката на металите, електрическата природа и т.н.

Количествено проявлението на триене между твърди тела се описва от силата на триене.

Явлението вътрешно триене в течности и газове се нарича вискозитет.

3. Разсейване на енергия

По време на триене енергията на макроскопично механично движение се превръща в енергията на микроскопично движение на атоми и молекули. Човечеството се е научило да използва този ефект за създаване на огън.

4. Електрификация чрез триене

По време на триене повърхностите на много тела се зареждат, което показва електростатичния характер на триенето. Този процес се използва за изграждане на статични заряди. Един често срещан пример за такава електрическа трификация в съвременния свят е барабанната електрификация във фотокопирни машини. Електрификацията на триене може да създаде много високи напрежения, като например в електростатичния генератор на Ван де Грааф.

5. Смазочни материали

Разграничете смазване без триене(сухо триене) и триене със смазка,подадени в зоната на триене. За намаляване на триенето, различни