Будь-який контакт між двома тілами призводить до появи сили тертя. При цьому не важливо, в якому агрегатному стані речовини знаходяться тіла, вони рухаються відносно один одного або спочивають. У даній статті коротко розглянемо, які види тертя існують в природі і техніці.
Тертя спокою
Для багатьох може бути дивною думку, що тертя тіл існує навіть тоді, коли вони перебувають у стані спокою відносно один одного. Крім того, ця сила тертя є найбільшою за величиною силою серед інших видів. Проявляється вона тоді, коли ми намагаємося зрушити з місця якої-небудь предмет. Це може бути дерев’яний брусок, камінь і навіть колесо.
Причиною існування сили тертя спокою є наявність нерівностей на дотичних поверхнях, які механічно взаємодіють один з одним за принципом пік-западина.
Обчислюється сила тертя спокою за наступною формулою:
Ft1 = ut*N
Тут N – реакція опори, з якої на тіло впливає поверхню вздовж нормалі. Параметр ut є коефіцієнтом тертя. Він залежить від матеріалу дотичних поверхонь, якості обробки цих поверхонь, їх температури і від деяких інших факторів.
Записана формула свідчить, що від площі контакту сила тертя спокою не залежить. Вираз для Ft1 дозволяє розрахувати так звану максимальну силу. У ряді ж практичних випадків Ft1 не є максимальною. Вона завжди дорівнює за величиною зовнішньої сили, яка прагне вивести зі стану спокою тіло.
Тертя спокою відіграє важливу роль у житті. Завдяки цьому ми можемо рухатися по землі, відштовхуючись від неї підошвами ніг, не прослизаючи. Будь-які тіла, які знаходяться на похилих до горизонту площинах, не зісковзують з них завдяки силі Ft1.
Тертя в процесі ковзання
Ще один важливий вид тертя для людини проявляє себе, коли одне тіло ковзає по поверхні іншого. Виникає це тертя з тієї ж фізичної причини, що і тертя спокою. Більш того, його сила обчислюється за аналогічною формулою.
Ft2 = µk*N
Єдина різниця з попередньою формулою полягає у використанні для тертя ковзання інших коефіцієнтів µk. Коефіцієнти µk завжди менше аналогічних параметрів тертя спокою для однієї і тієї ж пари тертьових поверхонь. На практиці цей факт проявляється наступним чином: поступове збільшення зовнішньої сили призводить до зростання величини Ft1 до тих пір, поки вона не досягає свого максимального значення. Після цього вона різко падає на кілька десятків відсотків до значення Ft2 і підтримується постійною в процесі руху тіла.
Коефіцієнт µk залежить від тих же факторів, що параметр ut для тертя спокою. Сила тертя ковзання Ft2 від швидкості переміщення тіл практично не залежить. Лише на великих швидкостях стає помітно її зменшення.
Важливість тертя ковзання для життя людини можна простежити на таких прикладах, як їзда на лижах або катання на ковзанах. У цих випадках зменшують коефіцієнт µk з допомогою модифікації тертьових поверхонь. Навпаки, посипання доріг сіллю і піском переслідує мету збільшити значення коефіцієнтів µk і ut.
Тертя кочення
Це один з важливих видів тертя для функціонування сучасної техніки. Воно присутнє при обертанні підшипників та рух коліс транспортних засобів. На відміну від тертя ковзання і спокою, тертя кочення обумовлена деформацією колеса в процесі руху. Ця деформація, яка відбувається в пружній області, в результаті гістерезису розсіює енергію, проявляючись у вигляді сили тертя під час руху.
Розрахунок максимальної сили тертя кочення здійснюється за формулою:
Ft3 = d/R*N
Тобто сила Ft3, як сили Ft1 і Ft2, прямо пропорційна реакції опори. Проте вона також залежить від твердості дотичних матеріалів і радіуса колеса R. Величина d називається коефіцієнтом опору коченню. На відміну від коефіцієнтів µk і ut, величина d має розмірність довжини.
Як правило, безрозмірне відношення d/R виявляється на 1-2 порядки менше, ніж значення µk. Це означає, що переміщення тіл з допомогою кочення енергетично набагато більш вигідно, ніж з допомогою ковзання. Саме тому у всіх тертьових поверхнях механізмів і машин намагаються використовувати тертя кочення.
Кут тертя
Всі три види прояву тертя, описані вище, характеризуються деякою силою тертя Ft, яка прямо пропорційна величині N. Обидві сили відносно один одного спрямовані під прямим кутом. Кут, який утворює їх векторна сума з нормаллю до поверхні, називається кутом тертя. Щоб зрозуміти його важливість, скористаємося даними визначенням і запишемо його у математичному вигляді, отримаємо:
Ft = k*N;
tg(θ) = Ft/N = k
Таким чином, тангенс кута тертя θ дорівнює коефіцієнту тертя k для даного виду сили. Це означає, що чим більше кут θ, тим більше сама сила тертя.
Тертя в рідинах і газах
Коли тверде тіло рухається в газоподібному або рідкому середовищі, то воно постійно стикається з частинками цього середовища. Ці зіткнення, що супроводжуються втратою швидкості твердого тіла, є причиною тертя в текучих субстанціях.
Цей вид тертя сильно залежить від швидкості. Так, при відносно невеликих швидкостях, сила тертя виявляється прямо пропорційною швидкості руху v, при великих же швидкостях мова йде про пропорційності v2.
Прикладів прояви цього тертя можна навести безліч, починаючи від руху човнів і кораблів і закінчуючи польотом літаків.
