Сили тертя

Перші дослідження тертя, про які ми знаємо, були проведені Леонардо да Вінчі приблизно 500 років тому. Він вимірював силу тертя, діючу на дерев’яні паралелепіпеди, що ковзають по дошці, причому, ставлячи бруски на різні грані, визначав залежність сили тертя від площі опори. Але роботи Леонардо да Вінчі стали відомі вже після того, як класичні закони тертя були знову відкриті французькими вченими Амонтоном і Кулоном в XVII-XVIII ст.
Сили тертя виникають на поверхнях дотичних тіл і завжди спрямовані уздовж поверхні зіткнення. Одна з причин виникнення цієї сили – шорсткість поверхні дотичних тіл. Сила тертя спокою утримує вбитий цвях, не дає розв’язатися банту і навіть допомагає нам ходити. Уявімо, що тертя може бути усунуто зовсім. Тоді ніякі тіла, якби вони були завбільшки з кам’яну брилу чи малі, як піщинки, ніколи не втримаються одне на іншому: все буде ковзати і котитися, поки не виявиться на одному рівні. Не будь тертя, Земля представляла б куля без нерівностей.
Поверхня твердого тіла зазвичай володіє нерівностями. Навіть у дуже добре відшліфованих металів в електронний мікроскоп видно «гори» і «западини» розміром в м. При стисненні тел зіткнення відбувається тільки в найвищих місцях і площа реального контакту значно менше загальної площі дотичних поверхонь. Як образно висловився один з основоположників трибології (науки про терті), Ф. Боуден, «накладення двох твердих тіл одного на інше подібно накладенню швейцарських Альп на перевернуті австрійські Альпи – площа контакту виявляється дуже малою». Однак при стисненні загострені «гірські піки» пластично деформуються і справжня площа контакту збільшується пропорційно прикладеному навантаженню. Саме опір відносного зсуву цих контактних зон і є основним джерелом тертя руху. Само опір зсуву при ідеальному контакті визначається міжмолекулярним взаємодією, залежних від природи контактуючих матеріалів. Тиск у місцях зіткнення може бути дуже великим, і там виникає пластична деформація. При цьому площа контакту збільшується, а тиск падає. Так продовжується до тих пір, поки тиск не досягне певного значення, при якому деформація припиняється. Тому площа фактичного контакту виявляється пропорційною стискаючого силі.

Розрізняють три види тертя: тертя спокою, тертя ковзання і тертя кочення. Якщо тіла нерухомі один щодо одного, то говорять про терті спокою, при відносному переміщенні – про терті ковзання. Якщо одне з тіл котиться по поверхні іншого без прослизання, виникає тертя кочення.
Строго кажучи, сила, з якою одне тіло діє на інше, спрямована під деяким кутом до поверхні. Цю силу можна розкласти на дві складові: силу, спрямовану по дотичній до поверхні зіткнення, і силу реакції опори, спрямовану по нормалі до поверхні зіткнення. Експериментально встановлено (закон Кулона-Амонтона), що ці складові пов’язані між собою:. Коефіцієнт пропорційності залежить від роду дотичних поверхонь, їх обробки і не залежить від площі труться. У випадках тертя спокою і тертя ковзання коефіцієнт m має різні значення.
Сила тертя спокою не є однозначною величиною. Будемо намагатися зрушити з місця тіло, потягнувши за трос з пружинним динамометром. При малому натягу троса тіло залишається на місці: сили, що розвивається пружиною динамометра, недостатньо. Кажуть, що вздовж контактуючих поверхонь діє сила тертя спокою, урівноважує прикладену силу. Поступово збільшуємо пружну силу, прикладену до тіла. У якийсь момент вона виявляється достатньою для того, щоб зрушити тіло з місця. У цей момент сила тертя спокою досягає свого максимального значення, тобто сила тертя спокою завжди менше або дорівнює цьому максимального значення:
.
При навантаженні тіла різними гирями змінюється сила нормального тиску, а отже, і рівна їй сила реакції опори N. Можна показати, що. Величина називається коефіцієнтом тертя спокою.
Якщо тіло під дією прикладеної сили рухається рівномірно, то це говорить про те, що ця сила врівноважується силою тертя ковзання. Дослідивши величину сили тертя ковзання при різних умовах, можна показати, що вона, як і сила тертя спокою, залежить від сили реакції опори і якості труться. Крім того, вона залежить від площі зіткнення і мало залежить від швидкості відносного руху тертьових тел. Тому сила тертя ковзання можна обчислити за формулою:
.
m – коефіцієнт тертя ковзання, він дещо менше коефіцієнта тертя спокою. Сила тертя спокою у шліфованих поверхонь менше, ніж у грубо оброблених. Мабуть, основну роль у виникненні сили тертя спокою при грубій обробці грають зачеплення виступів, тоді як тертя ковзання виникає в результаті пластичних деформацій мікровиступів і їх часткового руйнування. Зменшення зачеплення і прилипання поверхонь зменшує силу тертя. У техніці для зменшення тертя використовується мастило. Тертя ковзання також замінюють тертям кочення, встановлюючи кулькові або роликові підшипники.

Посилання на основну публікацію