Владимир Петров - Законы развития систем

Трение покоя, сухое трение и трение качения могут быть уменьшены использованием антифрикционных покрытий и эффектов: гидрирование , колебания , безызностности и аномально низкого трения .

Жидкостное трение может быть уменьшено использованием: поверхностно-активных веществ ; эффекта Ребиндера ; электролиза с выделением газов; поверхностей с увеличенной пористостью, заполняемых смазочными материалами; эффекта Томса .

Для создания воздушной подушки может быть использована пористая поверхность .

Магнитная подушка может быть создана постоянными магнитами и электромагнитом .

Электрическая левитация с помощью электростатического поля , которое может быть создано использованием трибоэлектрического эффекта и электретов .

Кроме того, могут использоваться различные комбинации.

Рис. П4.7. Тенденция увеличения управляемости трения (для функции снижения трения)

Трение покоя

Трение покоя — это сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эта сила возникает при относительном покое тел. Ее силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга.

Сила трения покоя всегда равна по величине внешней силе и направлена в противоположную сторону возможного движения.

Сухое трение

Силами сухого трения называют силы, возникающие при соприкосновении твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки. Они всегда направлены по касательной к соприкасающимся поверхностям.

Сила трения покоя не может превышать некоторого максимального значения ( F тр) max. Если внешняя сила больше ( F тр) max, возникает относительное проскальзывание. Силу трения в этом случае называют силой трения скольжения . Она всегда направлена в сторону, противоположную направлению движения и зависит от относительной скорости тел. Однако, во многих случаях приближенно силу трения скольжения можно считать независящей от величины относительной скорости тел и равной максимальной силе трения покоя.

Закон Амонтона-Кулона

Основной характеристикой трения является коэффициент трения μ, который определяется материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел: сила трения F и нормальная нагрузка N normal связаны неравенством (П4.1)

Закон Амонтона-Кулона

Где:

F — сила трения,

μ — коэффициент трения,

N normal — нормальная нагрузка.

Неравенство (П4.2) обращается в равенство только при наличии относительного движения.

Для большинства пар материалов значение коэффициента трения μ не превышает 1 и находится в диапазоне 0,1 — 0,5. Если коэффициент трения превышает 1 ( μ > 1), это означает, что между контактирующими телами имеется сила адгезии N adhesion и формула расчета коэффициента трения меняется на (П4.2)

Коэффициент трения

Где:

μ — коэффициент трения,

F — сила трения,

N normal — нормальная нагрузка,

N adhesion — сила адгезии.

Продемонстрируем различные виды трения на примере развития подшипников.

Пример П4.14. Первый подшипник.

Первые каменные подшипники скольжения были найдены в раскопках, относящихся к эпохе неолита.

Сохранились некоторые подшипники древности. Например, подпятник (карман для нижней оси) двери храма в Ассирия, приблизительно 2500 лет до н.э. (рис. П4.8а). Каменная дверь

(рис. П4.8б) в деревне Хампи на севере индийского штата Карнатака, где расположены руины Виджаянага — бывшей столицы Виджаянагарской империи.

Рис. П4.8. Первый подшипник

Каждая каменная дверь была сделана из одного огромного валуна. У ворот есть каменные болты и шарниры, которые сохранились по сей день.

Пример П4.15. Подшипник скольжения.

Подшипник скольженияпредставляет собой корпус, имеющий цилиндрическое отверстие, в которое вставляется вкладыш или втулка из антифрикционного материала (часто используются цветные металлы), и смазывающее устройство (рис. 4.9). Между валом и отверстием втулки подшипника имеется зазор, который позволяет свободно вращаться валу. Для успешной работы подшипника зазор предварительно рассчитывается 478.

Рис. П4.9. Принципиальная схема опоры с подшипником скольжения

Трение качения

Трение качения — особый вид сопротивления, возникающий, когда одно из тел катится по поверхности другого тела без проскальзывания.

Сила трения качения — сила трения, возникающая при качении одного тела по поверхности другого тела.

Пример П4.16. Шариковый подшипник.

Подшипники каченияработают преимущественно при трении качения и состоят из двух колец, тел качения, сепаратора, отделяющего тела качения друг от друга, удерживающего на равном расстоянии и направляющего их движение. По наружной поверхности внутреннего кольца и внутренней поверхности наружного кольца (на торцевых поверхностях колец упорных подшипников качения) выполняют желоба — дорожки качения, по которым при работе подшипника катятся тела качения (рис. П4.10). 479

Рис. П4.10. Принципиальная схема опоры с подшипником качения

Жидкостное трение

Пример П4.17. Гидростатические подшипники.

Гидростатический подшипник —это подшипник скольжения, в котором между трущимися поверхностями подается масло под давлением от насоса (рис. 4.11). Несущая способность такого подшипника определяется в основном давлением подаваемой смазки и не зависит от окружной скорости вала 480.

Рис. П4.11. Гидростатический подшипник.

Смазка подается под давлением из внешнего источника.

1 — шейка вала; 2 — подшипник; 3 — подвод смазки.

Пример П4.18. Катание на коньках.

Конек представляет собой гидростатический подшипник, в котором лед и конек разделены слоем воды, появившимся в результате энтропии (раньше считали, что вода появляется в результате таяния льда от давления).

Молекулы воды в поверхностных слоях льда способны вращаться с частотами, в 100 тысяч раз большими, чем те же молекулы, но в глубине кристалла. В результате на поверхности льда образуется пленка жидкости, служащая хорошей смазкой при скольжении