III. 7. Трение скольжения

Поверхность реальных тел не является абсолютно гладкой, как предполагалось выше, таких тел в природе не существует. При всей тщательности обработки поверхность всегда имеет неровности, размеры которых, количество и конфигурация определяются природой материала и чистотой обработки. Так, поверхность кристалла кварца, считающаяся эталоном гладкости, имеет выступы высотой до 100 å (1å=10^-10м), самые гладкие металлические поверхности имеют неровности высотой (0,5-0,1)мк (1мк=10^-6м), а высота неровностей грубо обработанных поверхностей доходит до (100-200)мк.

Вследствие шероховатости поверхностей соприкасающихся тел при

их относительном смещении возникают силы сопротивления. В зависимо-

сти от вида перемещения различают три формы такого сопротивления: трение скольжения, трение качения. Мы рассмотрим первые две формы. При скольжении одного тела по поверхности другого сила сопротивления направлена, вообще говоря, в сторону, противоположную скорости перемещения, и называется трением скольжения. Поэтому сила реакции шероховатой поверхности будет складываться из двух составляющих, одну из которых,

Рис.I.30 направленную по нормали к поверхности и называемую нормальной реакцией, можно рассматривать как реакцию идеальной преграды той же формы, как данная поверхность, а другая , лежащая в касательной плоскости к поверхности, представляет собой силу трения (рис.I.30).

Во многих случаях сопротивление скольжению является важным фактором и им при расчете различных механизмов и машин пренебрегать нельзя. В теоретической механике рассматривается обычно сухое трение, т.е. такое трение, когда между контактирующими поверхностями нет смазывающего вещества.

Под коэффициентом трения f понимаетсяотношение силы трения к нормальной нагрузке : f = / . Предполагалось, что этот коэффициент постоянен. Но указанная оценка была слишком грубой, что затрудняло проведение надежных инженерных расчетов. Основные закономерности трения скольжения были установлены Кулоном на приборе, схема которого приве

дена на рис.I.31. К телу веса , лежащему на горизон

Рис. I.31 тальном столе, прикладывается горизонтальное усилие , создаваемое весом груза, подвешенного на нити, перекинутой через блок и прикрепленной к телу по возможности близко к горизонтальной поверхности. Опыт показывает, что пока нагрузка не достигнет определенной величины, тело будет находиться в покое, а следовательно, справедливы такие условия равновесия: N – P = 0; Q – T = 0, откуда следует N = P, T = Q.

Таким образом, пока тело находится в покое, сила трения остается равной силе натяжения нити (сдвигающей силе), т.е. пока тело в покое, существует бесконечно много положений равновесия. Но сила трения не может возрастать беспредельно: при увеличении сдвигающейся силы тело придет в движение, это означает, что достигнуто предельное состояние, при котором сила трения достигла максимального значения и уже не может уравновешивать силу при ее дальнейшем увеличении. Следовательно, необходимо различать трение при равновесии и трение при движении. Первое зависит от величины той силы, которая стремится сдвинуть тело с места и направлена прямо противоположно этой силе. Максимальная сила трения пропорциональна нормальному давлению N (в рассматриваемом случае N=P), т.е. T_max = f N. Это соотношение носит название закона Кулона или Амонтона-Кулона.

Изменяя силу нормального давления , материал тела, характер обработки поверхности и другие факторы, можно исследовать их влияние на предельную силу трения. Значение коэффициента трения скольжения f, как показал Кулон, в широких пределах не зависит от площади соприкасающихся поверхностей, но его нельзя рассматривать как неизменную величину. Коэффициент трения является характеристикой процесса и зависит от материала трущихся поверхностей и их конфигурации, чистоты обработки, скорости, нагрузки, свойств окружающей среды, температуры и т.д. Обычно коэффициент f определяется и его значения для разных пар трения приводятся в справочниках. Важно еще раз

подчеркнуть, что пока тело находится в покое, сила тренияравна

Рис. I. 32 T = Q и можно лишь утверждать, что .

Знак равенства относится к критическому моменту равновесия: если T останется равным , то равновесие не нарушится, но достаточно самого малого приращения силы , чтобы произошел срыв и тело пришло в движение. Замечено, что при движении сила трения несколько уменьшается. Зависимость силы трения от силы сдвига приведена на рис.I.32. Различают статический коэффициент трения , соответствующей силе трения в момент срыва (точка А), и динамический коэффициент трения скольжения f. Коэффициенты статического и динамического трения для большинства материалов различаются и в большинстве случаев f < .

Так, по данным С.П.Тимошенко, при трении металла по металлу статический коэффициент трения = 0,15-0,25, а динамический f = 0,1; стали по льду - = 0,03; f = 0,015..