§ 107. Трение твердых тел

Скольжение твердого тела по поверхности другого тела всегда сопровождается превращением его кинетической энергии в тепло, в результате чего движение тела постепенно замедляется. С чисто механической точки зрения это явление можно описать как возникновение некоторой силы, препятствующей движению; она называется силой трения. С физической точки зрения трение представляет собой результат сложных процессов, протекающих на трущихся поверхностях тел.

Опыт показывает, что трение между твердыми телами обычно подчиняется некоторым простым закономерностям. Оказывается, что полная сила трения F действующая между движущимися телами, пропорциональна силе N, с которой тела прижимаются друг к другу, и не зависит от площади соприкосновения тел и от скорости движения:

Величина yi называется коэффициентом трения; она зависит только от свойств трущихся поверхностей. Это соотношение обычно хорошо выполняется в широком диапазоне экспериментальных условий (величин нагрузки и скоростей скольжения), но наблюдаются и отклонения от него.

Трение существенно зависит от способа обработки трущихся поверхностей и от их состояния (наличия и характера загрязнений). Так, коэффициент трения между металлическими поверхностями лежит обычно в пределах от 0,5 до 1,5. Эти значения, однако, относятся к металлическим поверхностям, подвергающимся воздействию воздуха. Такие поверхности всегда загрязнены окислами, адсорбированными газами и т. п., ухудшающими условия контакта. Опыт показывает, что совершенно чистые поверхности металлов, приготовленные нагреванием в вакууме, обнаруживают при скольжении очень большое трение, а в некоторых случаях полностью «схватываются» друг с другом.

Вряд ли существует один универсальный механизм трения, и его происхождение различно для поверхностей различной природы и обработки. Опишем, для иллюстрации, механизм трения некоторых металлов.

Эксперимент показывает, что поверхности металлов всегда обладают неровностями, большими по сравнению с молекулярными расстояниями. Даже у наилучшим образом изготовленных и отшлифованных поверхностей глубина этих неоднородностей составляет 100—1000 А, а в технической практике трущиеся поверхности обычно имеют во много раз большие неоднородности. При соприкосновении тел реальный контакт между ними осуществляется только по «вершинам» этих неоднородностей. Поэтому площадь фактического контакта S0 может быть очень мала по сравнению с полной, номинальной площадью соприкосновения S(S0 может составлять 10~4—10"5 часть от S). У пластических металлов уже под влиянием малых нагрузок «пики» неоднородностей деформируются, расплющиваясь настолько, чтобы действующее на них истинное давление упало до определенного предела рпр, ниже которого деформация прекращается. Площадь контакта S0 определяется условием p„vS0=N и оказывается, следовательно, пропорциональной нагрузке Л'. На участках истинного контакта силы молекулярного сцепления приводят к сильному «слипанию» тел. При скольжении происходят постоянный разрыв и образование новых участков контакта. Сила, требуемая для разрыва контактов, пропорциональна их площади S0, а с нею и нагрузке N.

От силы трения, возникающей при движении, надо отличать силу, которую надо приложить в самом начале движения для того, чтобы сдвинуть тело с места. Это, как говорят, трение покоя тоже пропорционально величине нагрузки, но его коэффициент несколько больше, чем при движении, хотя и ненамного; разница достигает 10—20%.

Подчеркнем, что все сказанное относится к трению между сухими поверхностями твердых тел. Его природа не имеет ничего общего с трением между смазанными поверхностями, разделенными слоем жидкости. В последнем случае сила трения обязана своим происхождением вязкости жидкости (простейший пример такого трения будет рассмотрен в § 119).

Наряду с трением при скольжении существует также и трение, возникающее при качении одного тела по другому.

Рассмотрим цилиндр (радиуса г), катящийся по плоскости. Для преодоления силы трения и поддержания рав

номерного качения надо приложить некоторую силу F. По отношению к линии, вдоль которой цилиндр в данный момент соприкасается с плоскостью, эта сила характеризуется своим моментом К (если сила приложена к оси цилиндра, то К= rF.) Момент К и является мерой величины трения при качении. Для него имеет место закономерность, согласно которой момент К пропорционален силе N, прижимающей катящееся тело к поверхности качения,

Коэффициент у характеризует трущиеся тела, он имеет, очевидно, размерность длины.