Явище тертя відіграє величезну роль у сучасній техніці. В одних випадках з ним борються та прагнуть зменшити, в інших же, навпаки, застосовують різні методи з метою збільшити силу тертя. У цій статті детальніше розглянемо питання, від чого залежить коефіцієнт тертя.
Сила тертя та її види
Перш ніж перейти до відповіді на питання, від чого залежить коефіцієнт тертя, слід розглянути власне саме явище та його види.
Кожна людина інтуїтивно розуміє, що будь-який вид тертя передбачає наявність фізичного контакту мінімум двох поверхонь. Це можуть бути тверді, рідкі та газоподібні середовища.
Тертя між твердими тілами ділиться на три види. Найбільшою силою володіє так зване тертя спокою. Багато хто помічав, що для зміщення шафи або короби, стоїть на підлозі, необхідно прикласти певну силу. Величина, яка перешкоджає цьому зміщення, називається тертям спокою.
Наступний вид – це тертя ковзання. За абсолютною величиною воно, як правило, на 10-30 % менше тертя спокою. Ця сила проявляє себе, коли два тіла ковзають один по одному. Наприклад, рух ковзаняра або лижника можливі завдяки невеликому значенню тертя ковзання. У той же час ковзати в черевиках по асфальту не можна із-за значної сили тертя.
Тертя кочення діє, коли тіло з круглої поверхнею котиться по деякій площині. Наприклад, рух кульки або ролики в підшипнику або колеса по дорозі. У ряді випадків величина тертя кочення на один-два порядки менше, ніж тертя ковзання.
Будь-які переміщення в рідинах і газах також супроводжуються появою тертя. На відміну від попередніх видів, тертя в текучих субстанціях залежить від швидкості переміщення об’єкта у них.
Важливо розуміти, що який би вид тертя не розглядався, відповідна сила завжди перешкоджає механічного руху.
Тертя спокою і коефіцієнт µ1
Щоб зрозуміти, від чого залежить коефіцієнт тертя, слід спочатку дати йому визначення. Почнемо з тертя спокою. Відповідна сила математично розраховується за наступною формулою:
F1 = µ1 * N.
Де N – реакція опори, на якій знаходиться тіло, µ1 – коефіцієнт тертя спокою. Від чого залежить остання величина:
- По-перше, від матеріалів тертьових поверхонь. Очевидно, що µ1 буде набагато менше для пари дерево-лід, ніж для пари дерево-дерево.
- По-друге, від якості обробки поверхонь. Так, якщо шорсткість (величина мікроскопічних западин і піків та їх кількість на поверхнях) буде значною, то коефіцієнт µ1 теж буде великим.
- По-третє, µ1 залежить від температури тел. У деяких випадках зміна температури може істотно змінити характер самого тертя. Так, зниження температури льоду призводить до того, що він перестає ковзати, тобто µ1 зростає.
Зауважимо, що від площі контакту двох тіл µ1 не залежить.
Тертя ковзання і коефіцієнт µ2
По своїй фізичній природі тертя ковзання істотно не відрізняється від тертя спокою. Формули, за якими розраховуються сили для цих видів явища, також мають однакову форму. Для сили ковзання маємо:
F2 = µ2 * N.
Єдиною відмінністю у формулах є те, що в останньому випадку використовується величина µ2 – коефіцієнт тертя ковзання. Від чого залежить величина? Коротко кажучи, µ2 визначається тими ж факторами, що і µ1. Оскільки відбувається процес ковзання, то піки і западини на поверхнях не встигають перейти в щільний механічний контакт. Також не встигають утворитися слабкі міжмолекулярні взаємодії. Все це обумовлює той факт, що µ2 < µ1.
Як у випадку тертя спокою, так і в разі ковзання головною причиною їх виникнення є поверхнева шорсткість. Якщо від неї якимось чином позбутися, то можна значно зменшити сили F1 і F2. Для цієї мети в даний час створено велику кількість мастильних матеріалів. Шар мастила призводить до просторового розподілу контактів твердих поверхонь, тому сили тертя значно зменшуються.
Зазначимо, що коефіцієнт µ2 не залежить від площі контакту і від швидкості ковзання (при великих швидкостях він починає плавно зменшуватися).
Тертя кочення і коефіцієнт CR
Відразу слід сказати, що причина появи тертя кочення є зовсім іншою, ніж для попередніх розглянутих видів. Тертя кочення виникає за рахунок гістерезису пружної деформації котиться тіла. Якщо б цієї деформації не було, то тертя кочення було б дорівнює майже нулю.
Сила тертя кочення F3 визначається так:
F3 = CR * N.
Тут CR – кочення коефіцієнт тертя. Від чого залежить CR? По-перше, він обернено пропорційний радіусу котиться тіла. По-друге, він сильно залежить від твердості контактуючих об’єктів, чим вище ця твердість, тим менше CR.
Значення коефіцієнтів CR так само, як значення µ1 і µ2, наведені в спеціальних таблицях.
Коефіцієнт тертя в рідинах і газах
Тертя в текучих субстанціях має більш просту природу, ніж те ж явище між твердими тілами. Вона полягає в механічному взаємодії з частинками субстанції при русі тіла в ній.
Тим не менш, математичне опис енергетичних втрат, пов’язаних з цим тертям, є досить складним. Відповідне рівняння називається формулою Дарсі-Вейсбаха. Тут ми не будемо приводити її, а лише скажемо, що для оцінки зазначених втрат використовує поняття гідравлічного коефіцієнта тертя. Від чого залежить його значення? Цей коефіцієнт визначається режимом течії (ламінарний або турбулентний). Режим залежить від швидкості руху, в’язкості і щільності текучою субстанції, а також від діаметра труби. Всі ці параметри дозволяють розрахувати так зване число Рейнольдса, яке однозначно визначає значення коефіцієнта тертя.
