Трение скольжения, качения, покоя, теория трения, коэффициент трения, коэффициент сцепления…. Обзор проекта TehTab.ru

Трение скольжения, качения, покоя, теория трения, коэффициент трения, коэффициент сцепления…. Обзор проекта TehTab.ru

• Трение покоя — наблюдается при предварительных микросмещениях (при недостаточных сдвигающих усилиях) до перехода к движению на макроуровне, когда начинает действовать сила трения качения или скольжения. Интерес представляет наибольшая сила трения покоя — она же «сила трения покоя», она же «сила сцепления», она же Гоша, она же Гога ( шутка).
• Трение скольжения — скорости тел в точке касания могут быть различны и по модулю и по направлению в любых комбинациях. Интерес представляет сила трения скольжения.
• Трение качения — скорости тел в точке касания одинаковы и по модулю и по направлению. Интерес тут представляет сила трения качения.
• Коэффициент трения он же коэффициент сцепления (для трения покоя) — отношение указанных сил трения к нормальной (перпендикулярной) относительно трушихся поверхностей прижимающей тела силе (нагрузке). Для параллельных земле поверхностей очень часто эта нагрузка — вес.

Лирическое (не практическое) отступление для любопытных. В общем случае:

• Fтр=1/v*(dA)/(dt),
• где v — скорость трущихся тел (относительного перемещения),
• а (dA)/(dt) — мощность фрикционных потерь, а именно:
  • механических = связанных с деформированием и адгезионным взаимодействием
  • физических = связанных с адсорбцией, звуковых, электромагнитных и т.д.
  • химических = связанных с хемосорбцией и химическим модифицированием поверхностных слоев
• А — работа сил трения, т.е. диссипируемая (рассеянная системой) энергия

Сила трения определяется характеристиками:

• непосредственного контакта материалов в исходном состоянии
• контакта через жидкостные маслянные слои в процессах гидростатической и гидродинамической смазки
• контакта через адсорбированные и хемосорбированные слои как смазок, так и материала и даже пыли т.д.
• контакта через вторичные (т.е. образующиеся уже в процессе трения) структуры

Вклад различных процессов различен при различных нагрузках и скоростях , т.е. в общем случае коэффициент трения движения является функцией всех описанных в лирическом отступлении параметров и скорости.

На практике же пользуемся формулой: Fтр=kтр*Fпр ( сила трения пропорциональна прижимающей (нормальной) силе и коэффициенту трения). Помним, что для начала движения следует преодолеть силу трения покоя, которая не ниже силы трения движения, а часто и выше в разы).

В обычных условиях, при разумных конструкторских решениях, в процессе приработки деталей снижается доля пластической деформации и увеличивается доля упругой деформации в точках микроконтактов, при этом повышается площадь контакта через защитные слои смазки и вторичные структуры, что в целом снижает силы трения ( до наступления разумных пределов износа).

Сравнительные ряды значений коэффициентов трения и количественные соотношения между ними для различных пар материалов остаются верными, как правило, для любых условий процесса, а абсолютные значения являются только ориентировочными.

Важные факты для о трении для инженеров:

• при повышении качества обработки поверхности сперва трение скольжения уменьшается, потом ! — увеличивается, т.е. суперфиниш может быть проблемой.
• скольжение в вакууме присходит в условиях, которые затрудняют образование защитных адсорбционных покрытий, и, поэтому, увеличенное адгезионное взаимодействие обеспечивет более сильное трение, причем после приработки значение трения еще и превышает начальное
• изменение скорости всегда меняет коэффициент трения, поскольку сама скорость меняет деформационные свойства материалов, а разогрев меняет характер остальных процессов в поверхности (точках) контакта, поэтому не гнушайтесь эксперимента в случаях больших перепадов скоростей

Значение коэффициента трения скольжения определяется суммой адгезионной и деформационной составляющей, т.е. Ктр=Ка+Кд ,

Деформационная составляющая обусловлена потерями повторного передеформирования поверхностных слоев материалов, она важна для весьма шероховатых поверхностей и полимерных материалов. Для металлов соотношение между адгезионной и деформационной составляющей таково, что при точности в 1% значением деформационной составляющей можно пренебречь.

Чуть подробнее для любопытных. В общем случае прочность адгезионной связи определяется выражением:

• τ=τ₀+β*ρ_r,
• где ρ_r — фактическое давление в зонах контакта (! полная нагрузка на суммарную площадь пятен фактического контака,
• а τ₀+β — характеристики поверхностных слоев

• таким образом: Ка= τ₀/ρ_r + β, т.е. при малых далениях он (коэффициент) определяется величиной τ₀
  , а при больших — β

Сила трения качения также на практике определяется адгезионной и деформационной составляющей, причем деформационная (гистерезисная) составляющая важнее у материалов с низким уровнем упргугости и низкой твердостью. Эти же материалы имеют более высокий коэффициент трения качения, чем остальные (для резины выше, чем для оргстекла, а для оргстекла выше, чем для стали)

Сухое трение. Закон сухого трения. Сила сухого трения. Коэффициент сухого трения

Что такое сухое трение?

Если тела соприкасаются, то между ними могут возникнуть силы трения.

Обычно их называют силы сухого трения.

Когда говорят о силах сухого трения, то обычно рассматривают силы трения покоя и силы трения скольжения.

Трение покоя

Тело лежит на столе, на тело действует сила F, но тело остаётся в покое. Со стороны стола на тело действует сила трения покоя F_тр. Тело давит на стол с силой p. По 3-му закону Ньютона стол действует на тело с силой N, которая равна по величине силе p, но направлена противоположно.

Часто силу трения изображают вектором вдоль линии соприкосновения тел, такой рисунок равнозначен.

При изменении величины и/или направления силы F сила трения покоя F_тр изменится соответственно, чтобы оставаться равной силе F по величине и быть противоположной по направлению.

Изменяется сила трения покоя от нуля до своей максимальной величины. Если увеличивать силу F, то при некотором её значении тело сдвинется с места, в момент начала движения сила трения покоя и примет своё максимальное значение. Когда говорят о силе трения покоя, то обычно имеют ввиду её максимальное значение.

Сила трения покоя пропорциональна силе нормального давления тела на поверхность стола:

F_тр = kN

здесь k – коэффициент трения.

Чем сильнее тело прижато к поверхности, тем больше сила трения покоя. Например, если на данное тело поставить дополнительный груз, то давление тела на опору увеличится, а с ним увеличится и сила трения покоя.

Увеличение площади соприкосновения тел не влияет на наибольшее значение силы трения покоя.

Трение скольжения

Если под действием внешней силы F тело начинает равномерно двигаться, то сила F будет равна по величине силе трения скольжения, при этом сила трения скольжения F_тр будет направлена в противоположную по отношению к силе F сторону.

Сила трения скольжения отличается от наибольшей силы трения покоя, она немного меньше. Но обычно этим пренебрегают и считают, что сила трения скольжения равна наибольшей силе трения покоя.

С увеличением скорости сила трения скольжения слегка изменяется, обычно это обстоятельство не учитывают и считают силу трения скольжения постоянной при любых скоростях.

Подобно силе трения покоя сила трения скольжения пропорциональна нормальному давлению.

Сила трения скольжения не зависит от размеров площади соприкосновения.

Направлена сила трения скольжения всегда противоположно скорости.

В расчетах трение сольжения F_тр получают по формуле, которая применяется и для силы трения покоя:

F_тр = kN

Сила трения покоя, скольжения, качения, вязкое трение, сухое трение. В чем разница ? | Репетитор IT mentor

Из-за чего возникает сила трения? Она возникает в результате движения одно тела по поверхности другого тела.

Причины возникновения силы трения:

1. Все тела имеют шероховатости. Даже у очень хорошо отшлифованных металлов в электронный микроскоп видны неровности. Абсолютно гладкие поверхности бывают только в идеальном мире задач, в которых трением можно пренебречь. Именно упругие и неупругие деформации неровностей при контакте трущихся поверхностей формируют силу трения.
2. Между атомами и молекулами поверхностей тел действуют электромагнитные силы притяжения и отталкивания. Таким образом, сила трения имеет электромагнитную природу.

Существуют следующие виды сухого трения:

Сухое трение возникает в области контакта поверхностей твёрдых тел в отсутствие жидкой или газообразной прослойки. Этот вид трения может возникать даже в состоянии покоя или в результате перекатывания одного тела по другому, поэтому здесь выделяют три вида силы трения.

1. Сила трения покоя.

Этот вид силы трения возникает в ситуации возможного движения тела по поверхности другого тела. Эта сила направлена против направления возможного движения. Сила трения покоя может принимать любые значения в диапазоне от нуля до своего максимального предельного значения, после которого она переходит в силу трения скольжения. То есть сила трения покоя действует пока тело стоит на месте.

Важно: При решении стандартных физических задач принимается, что максимальная сила трения покоя равна силе трения скольжения и рассчитывается по формуле Fтр = μN, где N – сила реакции опоры;
μ – коэффициент трения.

Коэффициент трения – это безразмерная величина. Он зависит от свойств соприкасающихся поверхностей и не зависит от силы давления (соответственно, и от силы реакции опоры, так как это силы, описываемые третьим законом Ньютона) и от площади соприкасающихся поверхностей.

Обычная ситуация: на кухне имеется холодильник,  его нужно переставить на другое место.

Когда никто не пытается двигать холодильник, стоящий на горизонтальном полу, трения между ним и полом нет. Но как только его начинают толкать, коварная сила трения покоя тут же возникает и полностью компенсирует усилие. Причина её возникновения — те самые неровности соприкасающихся поверхностей, которые деформируясь, препятствуют движению холодильника. Поднатужились, увеличили силу,  приложенную к холодильнику, но он не поддался и остался на месте. Это означает, что сила трения покоя возрастает вместе с увеличением внешнего воздействия, оставаясь равной по модулю приложенной силе, ведь увеличиваются деформации неровностей.

Пока силы равны,  холодильник остаётся на месте.

Сила трения, которая действует между поверхностями покоящихся тел и препятствует возникновению движения, называется силой трения покоя.

2. Сила трения скольжения

Что же делать с холодильником и можно ли победить силу трения покоя? Не будет же она расти до бесконечности? Зовём на помощь друга, и вдвоём уже удаётся передвинуть холодильник. Получается, чтобы тело двигалось, нужно приложить силу, большую, чем самая большая сила трения покоя:

Теперь на движущийся холодильник действует сила трения скольжения. Она возникает при относительном движении контактирующих твёрдых тел.

Итак, сила трения покоя может меняться от нуля до некоторого максимального значения — Fтр. пок. макс  И если приложенная сила больше,  чем Fтр. пок. макс, то у холодильника появляется шанс сдвинуться с места.

Теперь, после начала движения, можно прекратить наращивать усилие и ещё  одного друга можно не звать. Чтобы холодильник продолжал двигаться равномерно, достаточно прикладывать силу, равную силе трения скольжения:

Чтобы понять, как измеряется сила трения, нужно понять, какие факторы влияют на величину силы трения. Почему так трудно двигать холодильник?

Самое очевидное — его масса играет первостепенную роль. Можно вытащить из него все продукты и тем самым уменьшить его массу, и, следовательно, силу давления холодильника на опору (пол). Пустой холодильник сдвинуть с места гораздо легче! Следовательно, чем меньше сила нормального давления тела на поверхность опоры, тем меньше и сила трения. Опора действует на тело с точно такой же силой, что и тело на опору, только направленной в противоположную сторону.

Сила реакции опоры обозначается N. Можно сделать вывод

Второй фактор, влияющий на величину силы трения, — материал и степень обработки соприкасающихся поверхностей. Так, двигать холодильник по бетонному полу гораздо тяжелее, чем по ламинату. Зависимость силы трения от рода и качества обработки материала обеих соприкасающихся поверхностей выражают через коэффициент трения.

Коэффициент трения обозначается буквой μ (греческая буква «мю»). Коэффициент определяется отношением силы трения к силе нормального давления.

Он чаще всего попадает в интервал  от нуля до единицы, не имеет размерности и определяется экспериментально.

Можно предположить, что сила трения зависит также от площади соприкасающихся поверхностей. Однако, положив холодильник набок, мы не облегчим себе задачу.

Ещё Леонардо да Винчи экспериментально доказал, что сила трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей при прочих равных условиях.

Сила трения скольжения, возникающая при контакте твёрдого тела с поверхностью другого твёрдого тела прямо пропорциональна силе нормального давления и не зависит от площади контакта.

Этот факт отражён в законе Амонтона-Кулона, который можно записать формулой:

где μ — коэффициент трения, N — сила нормальной реакции опоры.

где μ — коэффициент трения, N — сила нормальной реакции опоры.

Рассмотрим пример в виде задачи

Брусок массой m покоится на плоскости, наклонённой под углом α к горизонту. Коэффициент трения между бруском и плоскостью равен μ. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым они определяются. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ:
А) модуль силы нормальной реакции плоскости
Б) модуль силы трения

ФОРМУЛЫ:
1) mgsinα
2) μmgsinα
3) mgcosα
4) μmgcosα

Cделаем рисунок к задаче:

Схема для тела, которое находится в равновесии на наклонной плоскости

Схема для тела, которое находится в равновесии на наклонной плоскости

Для решение задачи нам потребуется проецировать на оси нашей системы координат второй закон Ньютона

Как мы только что увидели, сила трения покоя может быть больше силы трения скольжения для одного и того же угла наклона. В большей степени это зависит от угла наклона плоскости и значения коэффициента трения скольжения.

Однако, здесь есть подвох (!). Тело всё таки не двигается, поэтому никакой речи о силе трения скольжения идти не может, согласны?

Для обеспечения покоя бруска сила трения покоя должна возрастать с увеличением угла α . Но мы знаем, что она не может быть больше максимального значения – силы трения скольжения:

Поэтому ясно, что существует предельный угол αпр наклона плоскости, при котором покой бруска станет невозможным, начнется соскальзывание. Значение этого угла мы нашли из условия, что сила трения покоя становится максимальной. Если угол наклонной плоскости будет равен углу трения (предельному углу), то тело будет либо равномерно скользить вниз под действие собственной силы тяжести, либо покоиться.

Видно, что предельный угол не зависит от массы бруска. Последнее соотношение позволяет на практике определить значение коэффициента трения с помощью изменения угла наклона плоскости для исследуемых предметов. К примеру, мы можем определить коэффициент трения дерева об дерево, если на деревянную доску положим деревянный брусок, а потом будем поднимать доску и фиксировать тот угол, при котором брусок начинает соскальзывать с доски. Тангенс этого угла как раз таки и будет определять коэффициент трения для этих материалов.

Неплохое дополнение по теме вы можете почитать: ЗДЕСЬ.

3. Сила трения качения

Ещё древние строители заметили, что если тяжёлый предмет водрузить на колёсики, то сдвинуть с места и затем  катить его будет гораздо легче, чем тянуть волоком. Вот бы пригодилась эта древняя мудрость, когда мы тянули холодильник!  Однако всё равно нужно толкать или тянуть тело, чтобы оно не остановилось. Значит, на него действует сила трения качения. Это сила сопротивления движению при перекатывании одного тела по поверхности другого.

Причина трения качения — деформация катка и опорной поверхности. Сила трения качения может быть в сотни раз меньше силы трения скольжения при той же силе давления на поверхность. Примерами уменьшения силы трения за счёт подмены трения скольжения на трение качения служат такие приспособления, как подшипники, колёсики у чемоданов и сумок, ролики на прокатных станах.

Вязкое трение

Вязкое возникает при движении твёрдого тела в жидкости или газе. Оно препятствует движению лодки, которая скользит по реке, или воздействует на летящий самолёт со стороны воздуха. Интересная особенность вязкого трения в том, что отсутствует трение покоя. Попробуйте сдвинуть пальцем лежащий на земле деревянный брус и проделайте тот же эксперимент, опустив брус на воду. Чтобы сдвинуть брус с места в воде, будет достаточно сколь угодно малой силы. Однако по мере роста скорости силы вязкого трения сильно увеличиваются.

Спасибо, что дочитали до конца 🙂 Если вам нравятся такие разборы, и вы хотите видеть их чаще, то оставьте обратную связь (лайки, комментарии, ваши мысли).

Еще много полезного и интересного вы сможете найти на ресурсах:

Репетитор IT mentor в VK

Репетитор IT mentor в Instagram

Physics.Math.Code (Дзен)

Physics.Math.Code в контакте (VK)

Physics.Math.Code в telegram

Physics.Math.Code в YouTube

Сила трения покоя — что это? Отвечаем на вопрос.

Окружающий нас мир не был бы таким стабильным, если бы не существовало силы трения покоя. Дома, машины, предметы на столах и полках и даже сам человек не могли бы стоять на одном месте и постоянно бы соскальзывали. В статье раскроем вопрос, что это — сила трения покоя.

Предмет на горизонтальной поверхности

Прежде чем отвечать на вопрос, что это — сила трения покоя, изучим положение тела на горизонтальной поверхности с точки зрения динамики.

Каждый знает, что если поставить стакан с водой на стол, то он будет покоиться на своем месте, пока кто-нибудь его снова не возьмет. Какие силы действуют на стакан? Конечно же, сила тяжести или вес тела. Ее величина прямо пропорциональна массе, и вектор направлен вниз вертикально.

На первый взгляд может показаться, что больше на стакан никакая сила не оказывает действие. Однако если бы это было так, то он бы провалился сквозь стол за счет действия силы тяжести. Значит, существует некоторое противодействие этой силе, которое равно ей по модулю и противоположно по направлению. Этим противодействием является реакция опоры. Далее будем обозначать ее буквой N.

Физической причиной реакции опоры является сила упругости, действующая на тело со стороны деформированной поверхности (поверхность стола действует вертикально вверх на стакан с водой). В большинстве случаев эти деформации не видны невооруженным глазом, однако они всегда присутствуют, каким бы маленьким не был вес тела, и каким бы жестким и прочным не был материал поверхности.

Таким образом, математическая запись стакана на столе выглядит так:

N = m * g

Воздействие внешней силы

Продолжим рассматривать описанный выше пример с точки зрения физики. Предположим, что мы захотели передвинуть стакан с водой из одного угла стола на другой. Чтобы это сделать, необходимо приложить некоторую внешнюю силу. Причем, если ее прикладывать вертикально вниз или вверх, то мы не добьемся движения стакана вдоль поверхности стола. То есть сила должна быть параллельна плоскости стола.

При приложении небольшой параллельной силы можно заметить, что стакан продолжает находиться в состоянии покоя. Силы реакции опоры и веса тела направлены перпендикулярно поверхности, поэтому противодействия внешней параллельной силе они не оказывают. За это противодействие ответственна сила трения покоя. Это то взаимодействие, которое появляется только в случае наличия внешней параллельной силы. Напомним, что если стакан не трогать, то на него действуют только вес тела и реакция поверхности стола.

Таким образом, сила трения покоя — это сила, которая возникает в области контакта двух твердых поверхностей и препятствует любому относительному смещению этих поверхностей.

Почему появляется эта сила?

Мы рассмотрели, как проявляет себя трение покоя на примере стакана с водой на столе. Тем не менее остается открытым вопрос: почему существует эта сила?

В состоянии покоя сила трения главным образом обязана наличию шероховатостей на поверхностях механического контакта. Микроскопические шероховатости присутствуют всегда на любых поверхностях, даже идеально отполированных. Микроскопические впадины одной поверхности попадают на пики другой, что приводит к простому механическому зацеплению тел. Именно на преодоление этого зацепления направлена касательная к поверхности внешняя сила.

Существует еще одна причина трения покоя, которая начинает играть все большую роль, чем более гладкими являются поверхности контакта. Это электрохимическое взаимодействие атомов и молекул разных тел. Эта причина становится очевидной, если отполировать два металлических листа, затем приложить их друг к другу и попытаться сдвинуть.

Максимальное трение покоя

Когда школьникам учитель физики задает вопрос, по какой формуле рассчитывается сила трения покоя (в 7 классе трение начинают изучать), то они дружно называют следующее выражение:

F_t = µ * N

Где µ — некоторый коэффициент. Такой ответ школьников нельзя считать верным на 100 %. Дело в том, что по указанной формуле определяется максимально возможная величина рассматриваемой силы, но ведь она может быть и меньше, что чаще всего случается на практике.

Следует запомнить, что сила трения покоя — это переменная характеристика. Всегда, когда тело покоится, ее величина равна по модулю внешней касательной к поверхности силе. Когда же тело начинает движение, то говорить о трении покоя уже нельзя (появляется иной вид трения — скольжение). Приведенное выражение для F_t позволяет вычислить трение покоя в момент начала движения тела.

Коэффициент трения µ

В формуле для максимальной силы F_t был введен коэффициент силы трения покоя — величина µ. Он является безразмерным, поскольку реакция опоры N измеряется в ньютонах.

Этот коэффициент теоретически определить нельзя, поскольку он зависит от большого количества факторов: материалов поверхностей, качества их обработки (шероховатость), от чистоты поверхностей, их температуры, микроскопической структуры и некоторых других. В связи с этим величину µ измеряют экспериментально. Например, если к стакану в примере выше прикрепить динамометр и измерить максимальную силу F_t, то, зная массу стакана с водой, можно определить µ.

Значения коэффициента µ занесены в специальные таблицы для каждой пары поверхностей контакта. Так, в нашем примере стекло движется по дереву. Соответствующий µ равен 0,25.

Далее приведем пример решения двух задач, в которых будет понятно, что это — сила трения покоя, и как она действует на практике.

Задача на определение изменения силы трения

Известно, что стакан с водой общей массой 400 грамм стоит на горизонтальном столе. Стол наклоняют на 5^o к горизонту. Как изменяется трения покоя сила при этом? Начнет ли скользить стакан по столу?

Поскольку изначально стакан стоит на горизонтальном столе, то трение покоя равно нулю. Когда стол наклоняют, то возникает параллельная его поверхности составляющая вектора силы тяжести. Она равна:

F = m * g * sin(α)

Поскольку сила трения покоя равна величине F, то получаем, что ее изменение в результате наклона составит 0,34 Н.

Теперь ответим на второй вопрос задачи. При наклоне на 5^o максимальная трения покоя сила равна:

F_t = µ * m * g * cos(α)

Получаем значение F_t = 0,98 Н. Поскольку эта величина больше, чем рассчитанная сила трения покоя, то стакан по столу двигаться не будет при угле наклона 5^o.

Задача на определение работы трения покоя

В физике работой называется скалярное произведение вектора перемещения и вектора силы. Когда тело покоится, то модуль его перемещения равен нулю. Последнее означает, что работу рассматриваемая сила совершать не может (она действует только в покое).

Теперь представим следующую ситуацию: два бруска лежат друг на друге. На нижний из них действует сила F, которая приводит его в равноускоренное движение с ускорением a. Верхний брусок относительно нижнего покоится. Поскольку верхний брусок тоже движется с ускорением a, и на него действует только сила трения покоя, и получается, что она совершает положительную работу. Чему равна эта работа? За время движения t сила трения покоя совершает работу:

A = F_t * l = F * a * t² / 2

Заметим, что если величина F окажется больше, чем максимальное значение F_t, то верхний брусок соскользнет с поверхности нижнего.

Действие силы трения: от полезного действия до возникающих проблем и способах их решения

Трение — это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого и направленная вдоль поверхности касания противоположно движению.

Трение возникает там, где мы о нем даже не подозреваем. Причиной возникновения трения служат неровности соприкасающихся поверхностей. Из-за трения кинетическая энергия тел превращается в теплоту. В рамках школьной программы трение изучают в 7 классе. Данный материал послужи отличным дополнением для внеклассного

• От полезного действия трения до источника износа
• Трение покоя
• Добывание огня с помощью трения
• Скольжение и качение
• Подшипники и их применение для снижения трения
• Смазка для снижения трения
• Действие трения в тормозах

От полезного действия трения до источника износа

Когда космический аппарат входит в земную атмосферу со скоростью 25000 км/ч, трение поднимает температуру до 1500 0С. Трение доставляет массу проблем: изнашиваются детали машин, протирается обувь, приходится прилагать большие усилия, чтобы совершить работу. Однако трудно даже представить себе, что случилось бы, если бы трение внезапно исчезало.

При отсутствии трения мы не могли бы передвигаться, а скользили бы как по льду, ни одной вещи нельзя было бы удержать в руках, никакой звук не умолкал бы, а звучал бы бесконечным эхом, отражаясь от ближайших припятствий.

Трение покоя

Трудно сдвинуть стоящий на полу тяжелый ящик — мешает трение. Если прикладывать к ящику все большую силу, то наконец наступает момент, когда ящик начнет перемещаться.

Сила, которую прикладывали как раз перед тем, как ящик сдвинулся, представляет собой предельную силу трения покоя. Она зависит от веса ящика с содержимым.

Если вес удвоится, то удвоится и сила трения покоя. Сила трения покоя также зависит от материалов соприкасающихся поверхностей, в данном случая дна ящика и пола.

Под микроскопом даже на полированной металлической поверхности видны неровности. При касании 2 поверхностей неровности сцепляются и при движении в разные стороны вызывают трение.

Макрофото отполированной поверхности стекла под микроскопом

А вот так выглядит отполированная поверхность нержавеющего металла под микроскопом

Добывание огня с помощью трения

С помощью трения можно добыть огонь. Самое простое устройство для этого состоит из двух палочек. Конец одной палочки помещают в углубление другой и начинают быстро вращать первую. За счет трения в месте контакта можно добиться температуры 300 0С., при которой дерево начинает тлеть.

При зажигании спичек тоже используется трение. Когда головкой спичек чиркают по поверхности коробка, из-за трения температура поднимается. Выделяющаяся теплота приводит к химической реакции между веществами спичечной головки и коричневой полоски на коробки. При достижении определенной температуры головка воспламеняется, после чего огонь распространяется по и на саму спичку.

Скольжение и качение

Трение становится главной проблемой при транспортировке грузов. Первобытные люди передвигали тяжести с помощью волокуш. Волокуша скользила по земле, но сила трения оставалось значительной.

Позже люди обнаружили, что крупные грузы, например каменные глыбы, легче передвигать на круглых катках роликах. Ролики катились и трение уменьшалось, поскольку груз больше не скользил по земле. С изобретением колеса, посаженного на ось, стало ясно, что сила трения во много раз меньше силы скольжения.

Тяжелые посылки двигаются под действием силы тяжести по этому слегка наклоненному роликовому конвейеру. Каждый ролик закреплен в подшипниках и вращается с малым трением, когда груз катиться по нему.

Трение между металлическими полозьями саней для бобслея и льдом очень маленькое, поскольку из-за давления металла лед в месте соприкосновения тает и образуется слой воды, играющией роль смазки.

Трение может быть полезным и вредным. Когда трение полезно, его увеличивают, когда вредно — уменьшают. Для этого используют смазку, шлифовку, подшипники.

Подшипники и их применение для снижения трения

Подшипники, это устройства, которые служат в качестве опор для движущихся частей и позволяют уменьшить трение. Подшипники применяются в машинах и механизмах, в том числе автомобилях и велосипедах, в электродвигателях и роликовых коньках.

Подшипники одного типа позволяют валу вращаться в неподвижном корпусе, другие подшипники позволяют вращаться деталям на неподвижном валу. Если бы не было подшипников, то трение тормозило бы движение, приводило бы к большим тепловым потерям и вызывало повышенный износ соприкасающихся поверхностей.

Учебный видеофильм времен СССР о подшипниках скольжения и качения

Обычный подшипник качения состоит из внутреннего и внешнего металлических колец. Кольца разделены рядом шариков (шариковые подшипники) либо рядом цилиндрических или конических роликов (роликовые подшипники), перекатывающихся по канавкам и кольцам. Высококачественные подшипники работают так мягко, что потери на трение составляют менее 1% энергии, потребляемой механикой.

Смазка для снижения трения

Смазка — это вязкая жидкость, которая делает соприкасающиеся поверхности более гладкими и благодаря этому уменьшают трение. В механизмах в качестве смазки обычно используют нефтяные масла. В двигателях внутреннего сгорания смазка подается под давлением специальным насосом в подшипники двигателя и к поршням, движущихся в цилиндрах.

Слой смазки создает зазор между металлическими поверхностями. Они перемещаются друг относительно друга, не соприкасаясь. Трение уменьшается, и при движении тепловые потери значительно меньше.

В подшипниках высокоскоростных механизмов в качестве смазки используется сжатый воздух, в некоторых случаях — твердая графитовая смазка.

Действие трения в тормозах

Для того чтобы уменьшить трение и двигаться с минимальной затратой усилий, в транспортных средствах применяют подшипники. Но иногда необходимо резко снизить скорость, для чего на колесах устанавливают тормоза, развивающие большую силу трения. При работе тормозная колодка из теплостойкого материала, прижимается к стальному барабану или диску на колесе. Трение между тормозами вращающимся колесом преобразует кинетическую энергию в теплоту, и скорость транспортного средства падает. Теплота быстро рассеивается в окружающем воздухе.

Велосипедные тормозные колодки обычно состоят из 2 двух накладок из специального фрикционного полимера или просто резины, укрепленных на концах рычагов. Рычаги в свою очередь шарнирно присоединены к раме велосипеда. Если потянуть за тросик, рычаги поворачиваются на шарнире, и тормозные колодки с силой прижмутся к ободу колеса. Когда тормоза отпущены, тормозные колодки не касаются обода. Когда нажимают на тормоз, колодки с обоих сторон прижимаются к ободу. Трение между колодками и ободом замедляет скорость и преобразует кинетическую энергию энергию велосипеда в теплоту.

Урок «Сила трения. Трение покоя»

Миничихина Зинаида Владимировна, учитель физики высшей квалификационной категории МКОУ Баратаевской СОШ Болотнинского района Новосибирской области

Урок физики в 7 классе по ФГОС ООО

Учебник Перышкин А.В. Физика 7 класс

Тема «Сила трения. Трение покоя» (Слайд 1)

Цель урока. Сформировать понятие силы трения. Познакомить учащихся с видами трения: покоя, качения, скольжения.

Тип урока: изучения нового материала с элементами исследовательской деятельности.

Методы обучения: метод проблемного изложения, частично-поисковый (эвристический), демонстрация опытов, слайдов с помощью мультимедиа-проектора; экспериментальный метод исследования, наблюдение опытов.

Формы организации познавательной деятельности обучающихся: коллективная, индивидуальная, в парах.

Педагогические технологии: технология проблемного обучения с элементами критического мышления, здоровьесберегающие, информационно-коммуникативные технологии.

Демонстрации. Измерение силы трения при движении бруска по горизонтальной поверхности. Сравнение силы трения скольжения с силой трения качения. Презентация «Сила трения».

Ресурс урока: ПК, мультимедийный проектор и экран, лабораторное оборудование на каждый стол: динамометр, брусок деревянный, набор грузов с двумя крючками, лист бумаги, раздаточный материал, слайдовая презентация, Перышкин А.В. Физика 7 класс, учебник.

Планируемые результаты обучения

Метапредметные:

-коммуникативные: выражать с достаточной полнотой и точностью свои мысли, рационально планировать свою работу и работу в паре, добывать недостающую информацию из различных источников;

-регулятивные: осознавать самого себя как движущую силу своего научения, свою способность к преодолению препятствий и самокоррекции, составлять план решения задачи, самостоятельно исправлять ошибки;

— познавательные: ставить и формулировать проблемы, усваивать алгоритм деятельности, анализировать полученные результаты, уметь оценивать полученный результат, развивать умение учащихся наблюдать, анализировать, обобщать, делать выводы; умения самостоятельно определять цели своего обучения, способствовать расширению кругозора

Личностные: сформировать познавательный интерес к видам трения в природе; развивать практические умения, самостоятельность в приобретении знаний о силе трения и видах трения, ценностное отношение друг к другу, к учителю, к результатам обучения; использовать экспериментальный метод исследования при изучении силы трения, самостоятельно принимать решения, обосновывать и оценивать результаты своих действий, развивать инициативу.

Общие предметные: пользоваться методами научного познания при исследовании силы трения, проводить наблюдения, обнаруживать зависимость силы трения от шероховатости поверхности, силы нормального давления, анализировать и делать выводы; применять знания о силе трения для решения практических задач в повседневной жизни, при обеспечении безопасности жизни; овладеть коммуникативными универсальными учебными действиями при ответах на вопросы по закреплению материала.

Частные предметные: объяснять явления, происходящие из-за наличия силы трения, использовать полученные знания о силе трения и видах трения в повседневной жизни, измерять силу трения скольжения.

Основные понятия:сила трения, причины возникновения силы трения.

Ход урока

1. Мотивация к учебной деятельности

(Цель этапа: проверить готовность к уроку, создать положительный эмоциональный настрой обучающихся).

Здравствуйте, ребята!

Сегодня нам предстоит вместе не просто быть на уроке, но и участвовать в работе над изучением нового материала. Всё ли готово? Учебник, линейки, ручки, карандаши. Все в наличии?

Начинаем урок.

Физика – наука о природе. А человек – дитя природы. И он должен уметь с ней разговаривать. Но как? На каком языке?

Нам тайны нераскрытые раскрыть пора. (Слайд 2)
Лежат без пользы тайны, как в копилке.
Мы тайны эти с корнем вырвем у ядра.

На волю пустим джина из бутылки.
Владимир Высотский

Давайте улыбнёмся новым открытиям и друг другу и начнём наш урок.

(Вовлечение учащихся в познавательную деятельность Включение учащихся в деловой ритм Коммуникативные УУД: умение слушать; выражать свои мысли. Личностные УУД: настройка на работу, установление доброжелательных отношений в коллективе, контакта с классом).

2. Актуализация знаний

(Цель: повторить основные понятия и определения, подготовить обучающихся к восприятию нового. «Блиц-опрос».Познавательные УУД: формирование мыслительных операций)

Возьмите лист в руки, заполним схему «Виды сил» (Приложение 1) (самостоятельное решению познавательных проблем, вырабатываются умения учащихся преобразовывать учебную информацию в другую)

Какие силы мы изучили? Ответы учащихся. Сила всемирного тяготения, с ней связана сила тяжести. Сила упругости и вес тела. Почему попарно? Они связаны между собой. Что мы знаем о силе? Сила является мерой взаимодействия тел.

Сила физическая величина, значит, ее можно измерить

Сила является векторной величиной

Чем характеризуется сила? Сила характеризуется не только числовым значением, но и направлением.

Сила обозначается буквой F. В чем измеряется сила? Н – Ньютон

Как называется прибор для измерения силы? Динамометр

Равнодействующая сила? Как её определяем?

Определите равнодействующую

3. Этап постановки темы урока и целеполагание

Создание проблемной ситуации (включаются в атмосферу научно-доказательного поискового мышления) Переходим к изучению новой темы

Все вы помните сказку «Репка».(Слайд 3)

Какие силы удерживают репку в земле? Надеюсь в конце урока вы верно ответите на этот вопрос.

Опыт: приводим в движение детскую машинку, толкнув её. Какое явление позволило ей двигаться. (Инерция). Учитель «Что произошло с ней» Ответ учащихся «Она останавливается». Почему машинка остановилась? Тело, приведенное в движение на горизонтальной поверхности, останавливается, т.е. скорость его постепенно уменьшается, и движение прекращается.Перед классом ставится вопрос: «Почему останавливается тело?»

«Существует торможение». Потрите руки. Какую силу мы будем изучать? Силу трения.

В ходе обсуждения учащиеся приходят к выводу, что на тело действовала некоторая сила, и уточняют, что на тело действовала сила тяжести и сила упругости, которые направлены в противоположные стороны. Следовательно, их действие скомпенсированы. Значит, на тело действует третья сила. Эту силу называют силой трения.

Какую силу мы будем изучать? Силу трения (заносим в схему«Виды сил»)

Запишите тему урока Сила трения (запись на доске)

Попробуйте сформулировать цель нашего урока

Предлагаю сформулировать цель с помощью опорных глаголов (изучить, выяснить, обобщить, закрепить, доказать, сравнить, проанализировать, сделать вывод, разобраться, систематизировать и др.)(Слайд 4)

(Регулятивные УУД. Постановка учебной задачи и прогнозирование деятельности на уроке).

Цель: изучить силу трения, выяснить причины трения.

Далее сформулируем определение.

Колёса машинки с чем взаимодействовали? С поверхностью. Чтобы возникла сила трения, что необходимо? Взаимодействие с поверхностью

При соприкосновении одного тела с другим возникает взаимодействие, препятствующее их относительному движению, которое называется трением.

А силу, характеризующую это взаимодействие, называют силой трения,

Как обозначают? F_тр.

Определение Сила, возникающая при взаимодействии поверхности одного тела с поверхностью другого тела, когда тела неподвижны, либо перемещаются относительно друг друга, называется силой трения.(Слайд 5)

Куда направлена сила трения? Всегда направлена в сторону, противоположную возможному движению. (Слайд 6)

Давайте выясним причины возникновения F_тр.

Проведите рукой по поверхности стола. Что чувствуете? Неровности, шероховатости. Если посмотреть на руки и поверхность стола через лупу, можно увидеть шероховатости.

Какая первая причина? — неровности, шеролховатости соприкасающихся поверхностей. Когда одно тело скользит или катится по поверхности другого, эти неровности цепляются друг за друга, что создает некоторую силу, задерживающую движение.Как вы считаете, в чем заключается другая причина трения – взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел (Слайд 7).

3. Здоровьесберегающая пауза

(Прием: покажи явление. Цель: снять напряжение с глаз, дать возможность расслабиться)

Молодцы, ребята, справились с заданием! Такая кропотливая работа несомненно требовала колоссального напряжения. Давайте немного отдохнём. Предлагаю смоделировать и показать силу трения — скольжения: руками, теперь- ногами. А теперь силу трения покоя.Молодцы, продолжим!

При скольжении одного тела по поверхности другого возникает трение, которое называют трением скольжения.Например, такое трение возникает при движении саней и лыж по снегу. Если же одно тело не скользит, а катится по поверхности другого, то трение, возникающее при этом, называют трением качения. Так при движении колёс вагона, автомобиля, при перекатывании брёвен или бочек по земле проявляется сила трения качения (Слайд 8). Брусок на наклонной плоскости удерживает сила трения покоя(Слайд 9)(демонстрация опытов). Продолжим заполнение схемы«Виды сил».

Силу трения можно измерить.Откройте учебник, параграф 32 стр. 91. Прочитайте последний абзац текста, найдите ответ на вопрос: Как можно измерить силу трения? (Работа в парах. Читают текст, помечают, размышляют, отвечают на вопрос, делают выводы. Познавательные УУД: поиск информации, структурирование знаний; умение осознанно строить высказывание, самостоятельно приобретать знания о силе трения, формирование мыслительных операций)

Чтобы измерить силу трения скольжения деревянного бруска по столу, надо прикрепить к нему динамометр. Затем равномерно двигать брусок по столу, держа динамометр горизонтально. Что при этом покажет динамометр? На брусок в горизонтальном направлении действуют две силы: сила упругости пружины динамометра, направленная в сторону движения, вторая сила – сила трения, направленная против движения. Так как брусок движется равномерно, это значит, что равнодействующая этих сил равна нулю. Следовательно, эти силы равны по модулю, но противоположны по направлению. Динамометр показывает силу упругости (силу тяги), равную по модулю силе трения.

А сейчас я предлагаю вам побыть в роли исследователей. Работа в группах. Брусок положите на поверхность стола, прикрепите к нему динамометр, в момент отрыва бруска измерьте силу трения. Какую силу трения вы измерили. Тело находится в покое, значит силу трения покоя.

Каждой группе дано экспериментальное задание: выяснить, от чего зависит сила трения. У вас на столах листы с заданием, выполняем его, готовим отчет. (Приложение 2) (самостоятельная учебная и творческая деятельность обучающихся)

1 группа «Исследовать зависимость силы трения от площади соприкосновения».

Приборы: динамометр, деревянный брусок.

1. Положите брусок плоской гранью на деревянную поверхность стола

2. Прикрепите к бруску динамометр и постарайтесь равномерно перемещать брусок по поверхности

3. Измерьте силу трения скольжения F_{скольжения} = _____Н

4. Положите брусок ребром на деревянную поверхность стола

5. Измерьте силу трения скольжения F_{скольжения} = _____Н

6. Убедитесь, что сила трения не изменяется.

2 группа

Исследовать зависимость силы трения скольжения от массы груза

Приборы: динамометр, деревянный брусок, набор грузов

1. Положите брусок на деревянную поверхность стола

2. Прикрепите к бруску динамометр и постарайтесь равномерно перемещать брусок по поверхности

3. Измерьте силу трения скольжения F_{скольжения} = _____Н

4. Поставив один груз на брусок, измерьте силу трения скольжения с одним грузом

F_{скольжения} = _____Н

5. Поставив два груза на брусок, измерьте силу трения скольжения с двумя грузами F_{скольжения} = _____Н

6. Вывод: чем больше сила, прижимающая тело к поверхности, тем большесила трения

3 группа

Сравнение силы трения скольжения с силой трения качения

Приборы: динамометр, деревянный брусок, два круглых карандаша

1. Положите брусок на деревянную поверхность стола

2. Прикрепите к бруску динамометр и постарайтесь равномерно перемещать брусок по поверхности

3. Измерьте силу трения скольжения F_{скольжения} = _____Н

4. Разместите брусок на двух карандашах и равномерно перемещайте его по поверхности стола

5. Измерьте силу трения качения F_{качения} = _______Н

6. Вывод: сила трения качения меньше силы тренияскольжения при равных нагрузках

F_{скольжения} F_{качения}

4 группа

Исследовать зависимость силы трения скольжения от рода трущихся поверхностей

Приборы: динамометр, деревянный брусок, деревянная и стеклянная поверхности.

1. Положите брусок на деревянную поверхность

2. Прикрепите к бруску динамометр и постарайтесь равномерно перемещать брусок по поверхности

3. Измерьте силу трения скольжения F_{скольжения} = _____Н

4. Положите брусок на стеклянную поверхность

5. Прикрепите к бруску динамометр и постарайтесь равномерно перемещать брусок по поверхности F_{скольжения} = _____Н

6. Вывод: сила трения скольжения зависит от рода трущихся поверхностей,

сила трения скольжения меньше на гладкой поверхности.

Учащиеся проводятисследования и каждая группа представляют устно отчет с выводом(обучающиеся учатся пользоваться методами научного познания при исследовании силы трения, проводить наблюдения, обнаруживать зависимость силы трения от шероховатости поверхности, силы нормального давления, анализировать и делать вывод, выражать с достаточной полнотой и точностью свои мысли, рационально планировать свою работу и работу в паре)

Силу трения можно уменьшить во много раз, если ввести между трущимися поверхностями смазку.Иногда силу трения необходимо уменьшить или увеличить. Как это сделать?

Отвечают учащиеся. Увеличит силу трения. Увеличить шероховатость: посыпать дорогу песком, добавить массу.

Уменьшить силу трения:1)убрать неровности –отшлифовать, смазать поверхности;2) уменьшить вес;3)заменить силой трения качения;4) придать обтекаемую форму (дельфин, самолеты, ракеты и т.п.)

5. Проверка результатов работы и исправление ошибок

(обратная связь: качественная и эмоциональная оценка учащимися изученного материала на уроке — самооценка)

Я предлагаю вам проверить, насколько вы усвоили материал и выполнить задание на карточке:

Проверь себя! (Слайд 10)

1. Сила, возникающая при взаимодействии _поверхности_ одного тела с поверхностью другого тела, когда тела неподвижны, либо перемещаются относительно друг друга, называется силой _трения__

2. Сила трения обозначается F_тр, измеряется в Н в Ньютонах

3.Существует две причины возникновения трения: _шероховатость поверхности и взаимное __притяжение__молекул соприкасающихся тел.

4.Сила трения всегда направлена в сторону, __противоположную движению тела.

5. Существует несколько видов трения – трение_покоя, трение_скольжения, трение __качения_ и вязкое трение.

Проверим результаты на слайде презентации. Поставим оценку:

а) нет ошибок -5

б) две, три ошибки – 4

в) четыре — пять ошибок -3

«Решим проблему» (учащиеся оценивают достижения цели урока)

А сейчас попробуем ответить на проблемный вопрос: какие силы удерживают репку в земле? Вес Р. Сила трения покоя, сила трения качения, сила трения скольжения.

Подводим итог работы. Какую цель в начале урока мы ставили? Как вы считаете, мы достигли цели урока?

Домашнее задание, изучить параграфы 32 и 33 учебника, упражнение 13, Ребята, у вас не возник вопрос: как выглядел бы мир без трения? Подготовьте рассказ «Как бы я жил без силы трения» (по желанию). (разноуровневое домашнее задание)

Учащиеся записывают домашнее задание (Слайд 11)

Выставляем оценки за работу на уроке с комментариями.

6. Рефлексия учебной деятельности на уроке

(Познавательные УУД: рефлексия деятельности, контроль и оценка процесса и результатов деятельности. Личностные УУД: самоопределение, самооценка, адекватное понимание причин успеха/неуспеха в учебной деятельности)

Покажите большой палец вверх или вниз.(Слайд 12)

На уроке было

интересно — скучно,

легко — тяжело,

я все успел — не успел.

Спасибо всем за работу на уроке.

1.Сравните силу трения скольжения и силу трения покоя:что у них общего и чем они различаются? 2.Сравните силу трения

При соприкосновении тел между ними наблюдается взаимодействие. Силу, характеризующую это взаимодействие, называют силой реакции поверхности, обозначают как и представляют в виде суммы сил, составляющих ее:, где–сила нормальной реакции поверхности, направленная перпендикулярно этой поверхности,–сила трения, направленная вдоль этой поверхности.

При контакте гладких поверхностей Fтр= 0 и.

Простейшее соотношение между модулями сил, составляющих силу реакции поверхности, формулируется в виде закона сухого трения:

При скольжении модуль силы трения прямопропорционален модулю силы нормальной реакции:

Коэффициент пропорциональности –коэффициент трения скольженияне зависит ни от площади соприкасающихся поверхностей, ни от скорости их относительного движения.

Если скольжение не происходит, то максимально возможное значение силы трения покоя равно значению силы трения скольжения:

Значение и направление силы трения покоя отыскиваются из услови неподвижности тела относительно опоры.

При постепенном увеличении (со временем) силы , приложенной вдоль трущихся поверхностей, происходит аналогичный рост силы трения покоя (рис. 9). Силы, действующие вдоль поверхности, скомпенсированы, поэтому тело покоится. Когда модуль силыдостигнет значенияN, модуль силы трения покоя достигает своего максимального значения, а затем сила трения уже не уравновешивает внешнюю силу, и тело начинает скользить, разгоняясь (рис. 9).

Рис. 9

В реальных экспериментах закон сухого трения выполняется приближенно.

9. Закон всемирного тяготения. Гравитационное поле. Невесомость
Закон всемирного тяготения – сила гравитационного притяжения любых двух материальных точек прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Рис. 3
Рис. 4
Гравитационную массу m1(илиm2) определяют сравнением ее с массой эталонного тела – цилиндра из платино-иридиевого сплава, масса которого принята за 1 кг (рис. 3). Процесс сравнения масс на рычажных весах называется взвешиванием (рис. 4). Гравитационная постояннаяG= 6,67·10–11Н.м2/кг2впервые была измерена английским физиком Кавендишем в 1798 году.

Закон всемирного тяготения сформулирован для материальных точек. Если его применять к протяженному телу, то это тело следует разбить на малые части, а затем использовать принцип суперпозиции сил.

Ньютон доказал, что закон можно применять для расчета сил взаимодействия между симметричными сферическими телами, если считать, что r– это расстояние между их центрами (рис. 5).

Рис. 5

Для расчета силы притяжения между двумя телами произвольной формы (например, два куба) закон всемирного тяготения в таком виде неприменим.

Силу всемирного тяготения называют силой тяжести, если рассматривают притяжение к Земле тел, которые достаточно малы по сравнению с размером самой Земли.

Для тел массой m, расположенных близко к поверхности Земли, установлено, что сила притяжения примерно равна:

где g9,8 м/с2– ускорение свободного падения. При точном измеренииgдолжно зависеть от распределения пород на Земле, места расположения тела на Земле и от высоты над уровнем моря.

На полюсах Земли ускорение свободного падения больше, так как Земля сплюснута с полюсов.

Рис. 6

Вес тела– это сила, с которой тело вследствие притяжения Земли давит на горизонтальную опору или растягивает вертикальный подвес. Таким образом, если на чаше весов стоит гиря, то вес – это сила, действующая не на гирю, а на чашу весов (рис. 6). Вес тела действует на подставку (опору) или подвес. При взвешивании в системе отсчета, покоящейся относительно Земли, вес неподвижного тела и сила тяжести совпадают, если не учитывать малые поправки, связанные с вращением Земли. Если весы движутся с ускорением, то вес может быть и больше, и меньше силы тяжести. Так, точные пружинные весы показывают вес тела, а не силу притяжения к Земле. На экваторе или в лифте, движущемся с ускорением, направленным вниз, вес тела меньше силы тяжести.

Если тело не давит на опору или не натягивает подвес, то говорят, что тело находится в состоянии невесомости. Если лифт и весы падают с ускорением свободного падения независимо друг от друга, то груз не давит на чашу, поэтому вес груза равен нулю, т.е. груз находится в состоянии невесомости.

Статическое и кинетическое трение — в чем именно разница?

При установке или обслуживании конвейерной ленты часто возникают проблемы из-за трения. Предлагаем вам напомнить о разнице между статическим и кинетическим трением и о влиянии, которое они оказывают на правильную работу ремня.

Разница между прилипанием и скольжением

Трение между двумя телами никогда не бывает одинаковым в состоянии покоя и при движении. Сила, необходимая для начала скольжения тела, превышает силу, необходимую для его скольжения.В результате мы различаем статическое трение и кинетическое трение (также называемое трением скольжения).

Статическое трение

Статическое трение возникает, когда два тела не движутся относительно друг друга (например, конвейерная лента на поверхности ведущего шкива).

Коэффициент статического трения обычно обозначается как µ _с (иногда всего µ или µ _o или µ _A ):

_мкс = статическое трение [-]

FF = фрикционный [Н]

FN = нормальная сила [Н]

Кинетическое трение

Кинетическое трение возникает, когда два тела движутся относительно друг друга (как конвейерная лента на станине ползуна).Объект начинает двигаться, если сила тяги (FA) больше силы трения (FF).

Коэффициент кинетического трения обычно обозначают как μ _k (иногда ㎍ ):

μ _k = кинетическое трение [-]

FA = тяговое усилие [Н]

FN = нормальная сила [Н]

Попробуйте этот эксперимент

Медленно потяните объект, используя пружинную шкалу, и определите силу тяги (FA):

Сила тяги сначала увеличится без движения объекта.Внезапно объект начнет двигаться, и сила тяги уменьшится.

• Максимальная сила тяги незадолго до начала движения объекта представляет собой статическое трение ( µ _с ).
• Среднее значение тягового усилия при движении объекта представляет кинетическое трение ( μ _k ).

Почему статическое трение важно для передачи энергии

Статическое трение играет решающую роль в неположительных приводах.Этот вид трансмиссии имеет место в двух- и многоступенчатых приводах с плоскими ремнями, клиновыми ремнями и поликлиновыми ремнями, а также на ведущем шкиве ленточных конвейеров и приводных роликовых конвейерах.

Коэффициент статического трения необходим для формулы Эйлера-Эйтельвейна.

Коэффициент трения очень чувствителен, с ним связана большая неопределенность, чем со всеми другими факторами, влияющими на способность ремня передавать мощность. Иногда его можно сильно уменьшить из-за едва заметных внешних воздействий, таких как грязь или масляный туман.Это может привести к тому, что ремень полностью проскальзывает на шкивах, так что он больше не передает требуемую мощность. В таких случаях необходимо очистить и ремень, и шкивы.

Ремень будет иметь совершенно разные коэффициенты трения относительно одного и того же шкива в зависимости от того, гладкая ли поверхность ремня, как зеркало, или текстурированная, как ткань. Зеркальная поверхность будет намного больше прилипать к шкиву, но практически потеряет всю адгезию, как только влага или пыль попадут между ней и шкивом.Текстура, напоминающая ткань, немного меньше прилипает, но также гораздо меньше подвержена влиянию влажности и пыли.

То же требование, а именно, что поверхность не должна быть ни слишком гладкой, ни слишком шероховатой, также применяется к шкивам. Вот почему Habasit указывает шероховатость поверхности шкива для шкивов трансмиссии (макс .: CLA = 1,6 ㎛ или Ra = AA 63 мкдюйм).

Очень часто поверхность ведущего шкива в установках с конвейерной лентой покрывается клеящим материалом (например, резиной), чтобы увеличить коэффициент статического трения между шкивом и лентой, тем самым увеличивая грузоподъемность конвейера или уменьшая нагрузка на вал.

Значение кинетического трения в конвейерных установках

Кинетическое трение имеет решающее значение для достижения силы, необходимой для протягивания конвейерной ленты по станине ползуна. Таким образом, коэффициент кинетического трения незаменим при расчете конвейерных лент, движущихся по ползунам.

Масло или липкие вещества, а иногда и просто вода между конвейерной лентой и слоем ползуна могут вызывать сцепление ленты (иногда называемое эффектом всасывания), таким образом увеличивая трение и, следовательно, потребление энергии.В худшем случае это может полностью остановить конвейерную ленту.

Хотите узнать больше по этой теме, или у вас есть вопросы о наших конвейерных лентах или ремнях силовой передачи? Пожалуйста свяжитесь с нами. Вы также можете найти множество других статей о наших продуктах и ​​решениях в блоге Habasit Expert.

Возможно, вас заинтересует:

Рене Гревенгоэд (René Grevengoed) — инженер по приложениям, работает в Habasit в Нидерландах с 1996 года.Он говорит на нидерландском языке, а также свободно говорит по-английски. Grevengoed специализируется на общей транспортировке, включая тканевые конвейеры и приводные ремни. Его опыт применим в нескольких отраслях промышленности, включая пищевую, погрузочно-разгрузочную, а также в полиграфии и бумажной промышленности. Опыт Гревенгоэда начался с мастерских и оборудования на месте, где он смог приобрести необходимые специальные навыки, чтобы продвинуться туда, где он находится сегодня.

Какой пример статического трения? — MVOrganizing

Какой пример статического трения?

Сыр лежит на склоне, потому что статическое трение удерживает его на месте.Другой пример статического трения — когда объекты движутся. Когда вы идете, статическое трение толкает вас в направлении, в котором вы пытаетесь двигаться (см. Рисунок 2 ниже).

Что такое статическое трение и его примеры?

Статическое трение — это сила, удерживающая объект в неподвижном состоянии. Определение статического трения можно записать так: трение, возникающее, когда люди пытаются переместить неподвижный объект по поверхности, фактически не вызывая какого-либо относительного движения между телом и поверхностью, на которой он находится.

Как еще называется статическое трение?

Этот тип трения известен как поверхностное трение. Его также обычно называют «перетаскиванием».

Каковы характеристики статического трения?

Статическое трение — это сила реакции, которая увеличивается, чтобы быть равной и противоположной любой приложенной силе, вплоть до своего максимального предела. Как только приложенная сила превысит fs (max), объект переместится.

Что такое динамический коэффициент трения?

DCOF, или динамический коэффициент трения, представляет собой измерение, определяющее силу трения на мокром ровном полу при ходьбе.Результаты тестирования DCOF помогают нам определить вероятность того, может ли поверхность плитки способствовать скольжению и / или падению.

Что влияет на коэффициент трения?

Сила трения зависит от двух факторов: а) материалов, которые находятся в контакте. Два материала и характер их поверхностей. Более грубые поверхности имеют более высокий коэффициент трения, но могут скользить.

Какой самый высокий коэффициент трения?

Коэффициент трения зависит от скорости движущегося объекта.Коэффициент трения также может изменяться массой и скоростью движущегося объекта. Для максимального значения. Одним из конкретных примеров является резина на резине, которая, согласно этому, имеет статический коэффициент трения 1,16.

Почему коэффициент кинетического трения меньше трения покоя?

Поскольку большая часть адгезии и истирания преодолевается, чтобы вызвать движение, сопротивление движению между поверхностями снижается, и теперь поверхности движутся под действием кинетического трения, которое намного ниже, чем трение покоя.

Какая связь между статическим и кинетическим трением?

Сила статического трения удерживает неподвижный объект в покое! Как только сила статического трения преодолевается, именно сила кинетического трения замедляет движущийся объект!

В чем разница между коэффициентом статического и кинетического трения?

Статическое трение линейно возрастает до максимального значения при приложении некоторой внешней силы. При этом кинетическое трение имеет неизменный характер и остается постоянным независимо от приложенной силы.Величина коэффициента трения покоя сравнительно больше, чем у кинетического трения.

Почему трение качения такое трение покоя?

Трение качения — это сила трения, которая возникает, когда один объект катится по другому, как колеса автомобиля по земле. Это классифицируется как статическое трение, потому что участок шины, контактирующий с землей, в любой точке, пока шина вращается, неподвижен относительно земли.

Какое трение меньше трения покоя?

Во время скольжения точки контакта не успевают должным образом заблокироваться.Следовательно, меньше трения. Но когда объект находится в покое, поверхности хорошо сцепляются, поэтому трение больше. Это объясняет, почему трение скольжения меньше трения покоя.

Почему трение — и друг, и враг?

Примеры, показывающие, что трение — друг и враг: Трение — друг: (i) Трение позволяет нам захватывать и ловить различные объекты. (ii) Это помогает нам комфортно ходить по поверхности. (iii) Это помогает минимизировать скорость или останавливать движущиеся объекты.Трение — враг: (i) Трение вызывает износ предметов.

В чем разница между трением статики и трением скольжения?

Трение скольжения — это трение, которое возникает, когда поверхность одного объекта движется относительно поверхности другого объекта. Статическое трение возникает, когда вы толкаете пакет о плоскую поверхность. Трение скольжения возникает, когда вы толкаете тот же мешок по наклонной поверхности.

Что такое мера статического трения?

Самый простой способ измерить коэффициент статического трения — это сложить два объекта вместе, а затем наклонить их, пока не соскользнет верхний.Угол, под которым один объект начинает скользить по другому, напрямую связан с коэффициентом. Когда два объекта расположены горизонтально, сила трения отсутствует.

Что такое статическое трение? | Статическое трение

Трение можно разделить на несколько категорий, а именно: сухое трение, трение со смазкой, трение жидкости, внутреннее трение и поверхностное трение.

Трение жидкости: трение, которое существует между различными слоями или пленками жидкости, известно как трение жидкости.Этот тип трения обычно возникает между слоями вязкой жидкости или между двумя разными вязкими жидкостями.

Трение со смазкой: мы знаем, что во многих машинах используется смазка, обычно масло, для уменьшения износа деталей машин. Сила трения, которая существует между этой смазкой и двумя поверхностями любого твердого тела, известна как трение со смазкой.

Трение кожи: Когда жидкость движется по поверхности любого твердого тела, между жидкостью и твердой поверхностью существует сила трения.Этот тип трения известен как кожное трение. Его также обычно называют «перетаскиванием».

Внутреннее трение: Сила трения существует не только между внешней поверхностью, но и между элементами, образующими вещество. Например, элементы, составляющие твердое тело. Трение возникает между элементами, когда конфигурация вещества или твердого тела в этом случае изменяется по сравнению с предыдущей конфигурацией. Другими словами, он возникает, когда тело подвергается так называемой деформации.

Сухое трение: Сухое трение — это сила трения, которая вступает в игру при соприкосновении двух твердых поверхностей. Этот тип трения можно условно разделить на две категории. Две категории — кинетическое трение и статическое трение.

Кинетическое трение: сухое трение между двумя движущимися поверхностями, которые скользят друг по другу или трутся друг о друга, известно как кинетическое трение. Кинетическое трение также широко известно как трение скольжения или динамическое трение.Теперь давайте посмотрим на другую категорию сухого трения — трение покоя.

Статическое трение — это сила трения между поверхностями двух веществ, когда они не движутся относительно друг друга. Следовательно, в этом случае тела не находятся в относительном движении, а неподвижны относительно друг друга. Но как только тело начинает двигаться, рано или поздно в дело вступает кинетическая сила трения. Интенсивность, с которой поверхности двух тел прилипают друг к другу или сцепляются друг с другом, представлена ​​числовым значением, известным как коэффициент трения.Сила, которая помогает объекту оставаться на поверхности другого объекта вместо падения, известна как нормальная сила. В основном, нормальная сила прилагается к поверхности, на которой объект удерживается на объекте, чтобы обеспечить ему поддержку. Если мы рассмотрим нормальную силу силы, которая является неравномерной, тогда нормальная сила будет действовать под углом, и нам придется учитывать ее составляющую. Если поверхность ровная или плоская, нормальная сила будет принята равной силе тяжести.

Коэффициент статического трения обозначается символом мкс. Этот коэффициент статического трения обычно превышает значение коэффициента кинетического трения. Статическое трение, как мы видели, возникает из-за шероховатости или неровностей, которые присутствуют на поверхности объекта, эти небольшие неровности известны как неровности. Если мы хотим, чтобы объект начал двигаться, нам нужно преодолеть это статическое трение, которое обычно достигается путем приложения внешней силы, которая заставляет тело начать скользить или двигаться.Теперь, до начала движения тела или до начала скольжения объекта, существует максимальное значение, которого может достигнуть трение. Это максимальное значение, которого может достичь трение, находится путем умножения коэффициента трения покоя на нормальную силу, которую оказывает поверхность, контактирующая с телом. Следовательно, F _max = μ _с Н, где N — значение нормальной силы, прикладываемой поверхностью к телу в Ньютонах. Пока не происходит скольжения, сила трения может принимать любое значение от нуля до максимального.Если мы приложим силу, меньшую по величине, чем эта сила статического трения, тогда вступит в действие сила, которая будет равна и противоположна этой приложенной силе. Если приложенная сила больше, чем это статическое трение, то тело начнет скользить или двигаться. Как только тело начинает двигаться или когда оно начинает скользить, статическое трение перестает оказывать влияние, и в действие вступает кинетическая сила трения.

Теперь давайте посмотрим на различные примеры статической силы трения.Предположим, машина катится по крутому склону. Затем, когда применяются тормоза, машина движется немного дальше по крутой дороге, но затем в конце концов останавливается. В этом положении сила статического трения — это сила, которая предотвращает проскальзывание колес автомобиля.

Статическое трение: определение, формула и примеры

Что такое статическое трение

Предположим, что объект неподвижно лежит на поверхности. Применяется сила, чтобы сместить его.Однако объект продолжает оставаться на месте. Причина в том, что поверхность оказывает противодействующую силу в направлении, противоположном приложенной силе. Эта сила известна как сила трения. Поскольку объект остается неподвижным, явление сопротивления движению известно как статическое трение.

Статическое трение

Сила статического трения всегда возникает в области контакта между объектом и поверхностью. По сути, это происходит между двумя контактирующими поверхностями. Когда приложенная сила достаточно велика, чтобы переместить объект, статическое трение исчезает, и в действие вступает кинетическое трение.

Примеры статического трения

Статическое трение обеспечивает неподвижность объекта. Вот несколько примеров.

Пример статического трения

• Автомобиль, припаркованный на холме
• Полотенце, свисающее с вешалки
• Человек, идущий по полу

Характеристики статического трения

Вот некоторые факты и свойства статического трения.

• Контактное усилие
• Сила отклика
• Достигает максимального значения до того, как кинетическое трение превысит

Законы статического трения

Вот некоторые законы, которым подчиняется сила статического трения.

• Пропорционально нормальной силе
• Равно и противоположно приложенной силе
• Зависит от шероховатости поверхности
• Независимо от площади контакта между двумя поверхностями

Как рассчитать статическое трение

Статическое трение можно рассчитать, применяя принципы физики, особенно законы движения Ньютона.

Уравнение статического трения

Уравнение статического трения может быть получено из законов трения.

1. Горизонтальная поверхность

Предположим, что объект массой м неподвижно лежит на столе. Когда к нему прикладывается сила F , стол реагирует, прилагая равную и противоположную силу в области контакта. Эта сила известна как статическое трение F _S . Согласно вышеуказанным законам, F _S пропорционально нормальной силе F _N .

F _S ∝ F _N

Или, F _S = μ _S F _N

Константа пропорциональности известна как коэффициент трения покоя .Это безразмерная и безразмерная величина, значение которой зависит от природы поверхностей. Гладкие поверхности имеют низкие значения, тогда как шероховатые поверхности имеют высокие значения.

Вес W объекта равен

Вт = мг

Согласно третьему закону движения Ньютона, вес уравновешивается нормальной силой.

W = F _N

Или, F _N = мг

Таким образом, формула для величины статического трения равна

.

F _S = μ _S мг

Выполненная работа W под действием силы определяется произведением силы и смещения d .

W = F x d

Поскольку сила статического трения не смещает объект, поэтому d = 0 и, следовательно,

W = F _S x 0 = 0

Работа, совершаемая статическим трением, равна нулю.

2. Наклонная плоскость

Предположим, что блок неподвижен на наклонной плоскости, составляющей угол θ с горизонтом. Его вес мг можно разделить на две составляющие — одну параллельно поверхности, а другую перпендикулярную поверхности.

Перпендикулярный компонент: мг, cos θ

Согласно третьему закону Ньютона нормальная сила равна

F _N = мг cos θ

Применяя законы трения, как и раньше, величина статического трения равна

.

F _S = μ _S мг cos θ

Следовательно, статическое трение зависит от угла наклона аппарели. По мере увеличения угла объект начинает двигаться, и кинетическое трение берет верх.

Параллельный компонент: мг sin θ

При увеличении угла наклона блок начинает двигаться. Если предположить, что блок движется с постоянной скоростью, так что ускорение отсутствует, тогда mg sin θ должно быть равно силе трения.

мг sin θ = F _S

Или, мг sin θ = μ _S мг cos θ

Или, μ _S = tan θ

Коэффициент статического трения по формуле наклонной плоскости

3.Круговое движение

Предположим, что автомобиль массой M движется со скоростью V по кругу. Он будет иметь силу за счет своего веса Вт, уравновешивается нормальной нагрузкой F _L .

F _L = W = Mg

Он также испытывает центростремительную силу F _C , направленную от центра окружности. Если R — радиус круговой траектории, то центростремительная сила равна

.

F _C = MV ² / R

Поскольку автомобиль не буксует, центростремительная сила уравновешивается статическим трением F _S , которое задается соотношением

F _S = мкм _S F _L = мкм _S Mg

А,

F _C = F _S

Или, MV ² / R = μ _S Mg

Или, μ _S = V ² / gR

Приведенное выше уравнение дает значение коэффициента трения покоя, необходимого для обеспечения желаемой силы трения, позволяющей автомобилю, движущемуся со скоростью V , двигаться по плоской кривой радиусом R .

Статическое трение при круговом движении

Ограничение трения

Когда приложенная сила достаточно велика, чтобы переместить объект, статическое трение перестает существовать. Непосредственно перед движением объекта сила статического трения достигла максимального значения. Предельное трение F _L определяется как максимальное значение статического трения.

F _L = (F _S ) _макс.

Как уменьшить статическое трение

Статическое трение возникает из-за молекулярной адгезии между двумя поверхностями.Кроме того, поверхности состоят из крошечных бугорков, которые соприкасаются и препятствуют движению. Один из способов уменьшить трение — отполировать поверхности так, чтобы неровности исчезли, и поверхности стали гладкими. Таким образом, для скольжения одной поверхности по другой потребуется меньшее усилие. Другой способ — нанести слой смазки между поверхностями. Смазочные материалы создают барьер между двумя поверхностями, так что их неровности не соприкасаются. Наконец, также можно уменьшить статическое трение, установив шариковые подшипники.В этой ситуации одна поверхность плавно перекатывается по другой, преобразуя трение покоя в трение качения.

Преимущества и недостатки статического трения

Статическое трение имеет несколько преимуществ и недостатков.

Преимущества

• Делает возможным движение по поверхности (например, ходьба, бег, вождение, катание на коньках и письмо)
• Предотвращает скольжение и скольжение (например, лестница может оставаться на стене, а предметы могут складываться друг на друга)
• Позволяет транспортным средствам останавливаться на тормозах

Недостатки

• Сложно толкать и тянуть объект
• Заставляет нас скользить по льду из-за низкого трения

Приложения статического трения

Статическое трение находит свое применение в промышленности.

• Сварка трением стабилизирует и упрочняет соединения, полученные при холодной сварке

Разница между статическим и кинетическим трением

Статическое трение между двумя поверхностями выше кинетического трения. Статическое трение возникает из-за сил сцепления между поверхностями. Чтобы преодолеть эти силы сцепления, требуется большая сила. Когда приложенная сила равна силе статического трения, поверхности начнут двигаться относительно друг друга.Затем вступает в действие кинетическое трение.

Статическое и кинетическое трение

Статическое трение и кинетическое трение

μ K
Уравнение	F S = μ S S F = μ K F N
Величина	Трение выше кинетического	Трение ниже статического

Последний раз статья была пересмотрена 3 декабря 2020 г.

Статическое трение и динамическое трение: образование пузырей

Что такое трение? Существует несколько определений трения.И это запутало наше понимание того, как он участвует в образовании пузырей при трении.

В словаре Мерриама-Вебстера есть два определения трения:

1. действие трения одного предмета о другой
2. сила, которая сопротивляется относительному движению между двумя контактирующими телами

Чтобы понять, как трение вызывает образование волдырей, второе определение необходим. В этой статье мы собираемся получить даже более конкретную информацию. Участие трения в пузырях трения легче понять, если говорить о трении static и динамическом трении .

Статическое трение и динамическое трение

Статическое трение — это трение, которое возникает между двумя телами, контактирующими друг с другом, когда они находятся в покое. Это трение, которое не дает объекту двигаться, пока он неподвижен.

Динамическое (или кинетическое) трение — это трение, которое препятствует движению тела, которое уже находится в движении. Это трение, которое замедляет или останавливает движение объекта.

Как трение вызывает волдыри?

Статическое трение вызывает образование пузырей, потому что оно приводит к большему сдвигу, чем динамическому трению.Представление ступни как шаткой коробки помогает объяснить:

Шатающаяся коробка и эффект трения

Посмотрите на эту шаткую коробку. Сила движения вверху (красная стрелка) исходит от костей, когда они движутся вперед и назад. А сила трения — это то, что удерживает нижнюю часть ящика неподвижно внизу — в состоянии статического трения. Все, что находится между верхом и низом, растягивается и искажается. Это сдвиг. Волдыри — это повреждение из-за повторяющихся деформаций сдвига.

Чтобы остановить волдыри, мы можем сделать что-нибудь в верхней части шаткой коробки, то есть уменьшить подвижность костей. Или мы можем сделать что-нибудь в нижней части шаткого ящика — уменьшить трение — чтобы сделать его более скользким. [Это то, что делают лубриканты, порошки, антиперспиранты, ленты, пластыри ENGO, влагоотводящие носки и двойные носки].

Статическое трение вызывает пузыри

Состояние статического трения — это именно то, что мы наблюдаем с шаткой коробкой. Вверху есть сила движения, а внизу нет движения.В середине происходит сильный сдвиг.

Итак, если бы этот шаткий ящик двигался внизу (потому что сила движения вверху превышала силу трения внизу), это то, что вы назвали бы состоянием динамического трения. Имеет смысл — статика означает неподвижность, динамика означает движение.

Вот кое-что, что вы, вероятно, уже знаете, но не подозреваете. Вы когда-нибудь пробовали толкать тяжелую коробку по полу и обнаруживали, что для ее перемещения требуется большое усилие… но как только вы начнете, ее будет легче удерживать в движении? Это потому, что сила, необходимая для того, чтобы ящик освободился от статического трения, ВЫШЕ, чем сила, необходимая для поддержания его в состоянии динамического трения.

Взгляните на приведенную ниже таблицу. Независимо от комбинации материалов статический коэффициент трения всегда выше динамического (или кинетического) коэффициента трения (кроме тефлона на тефлоне, который такой же).

Значения статического и динамического трения некоторых распространенных материалов. Эти значения приблизительны. Ссылка: http://ffden-2.phys.uaf.edu/211_fall2002.web.dir/ben_townsend/staticandkineticfriction.htm

Давайте применим это к волдырям от трения

Это имеет особое значение при описании причины и предотвращения волдыри.Потому что, когда статическое трение велико и продолжительно, сдвиг будет больше. Шатающаяся коробка должна будет растягиваться и деформироваться дальше. Если мы говорим о волдырях на стопах, это означает, что они находятся в слоях кожи.

Ниже показано, как развивается сдвиг (A). Посмотрите, как он увеличивается до максимума до того, что мы называем пиком сдвига. Сдвиг нарастает и нарастает в состоянии статического трения. Теперь посмотрите на динамический раздел — как только появляется движение, сдвиг сразу же уменьшается! Таким образом, пузыри образуются при длительном статическом трении — чем дольше две поверхности остаются склеенными, тем выше будет пик сдвига.И пузыри предотвращаются, когда состояние динамического трения возникает раньше (B) — потому что это дает нам более ранний и, следовательно, более низкий пик сдвига.

(A) Длительное состояние статической фикции

(B) Более раннее начало динамического трения вызывает более низкий пик сдвига

Вы, должно быть, думаете…

«Погодите, я подумал, что трение вызывает волдыри? Вы говорите мне, что если я продолжу тереть обувь, я смогу избавиться от волдырей? »

Это заблуждение о трении широко распространено и понятно.Потому что он основан на первом определении трения, упомянутом в начале этой статьи (трение — это трение одной вещи о другую). Растирание не вызывает волдырей.

Трение не вызывает пузырей от трения

Фактически, поощрение трения является предпосылкой большинства стратегий предотвращения образования пузырей.

Наибольший сдвиг вызывает не динамическое трение (трение). Это статическое трение (до трения), которое вызывает самый высокий пик и с большей вероятностью достигает уровня, вызывающего образование волдырей.Однако нельзя сказать, что растирание не повреждает кожу. Все зависит от уровня трения. Позвольте мне объяснить:

• Если коэффициент трения между кожей и носком высок, когда есть состояние динамического трения, это относительное движение будет абразивным для кожи. Клетки кожи будут стираться сверху. Если так будет продолжаться, у вас останется красная сырая язва, называемая ссадиной (натирание других участков тела). Или, если у вас уже есть волдырь, это абразивное движение легко разорвет и сместит вашу хрупкую крышу волдыря, и у вас останется красная сырая рана на ноге. Но динамическая часть процесса не отвечает за формирование пузыря. Он уже был там из-за сдвига, вызванного статическим трением.
• Если бы у вас было такое же количество движений между кожей и носком, но на этот раз коэффициент трения низкий, это не будет так раздражать кожу. Вы с меньшей вероятностью пострадаете от истирания кровли пузыря.

Это ключ к вашему пониманию пузырей трения!

Это различие между статическим и динамическим трением, а также высоким и низким коэффициентом трения важно, поскольку каждый эффект имеет разный эффект.Ниже приводится сводка изменений кожи и носков и результирующего воздействия на кожу:

• Состояние статического трения + высокий коэффициент трения = образование пузырей
• Состояние динамического трения + высокий коэффициент трения = травма от истирания (трения)
• Состояние динамического трение + низкий COF = предотвращение образования пузырей
• Состояние статического трения + низкий COF = отсутствие угрозы повреждения кожи

Вышесказанное относится к интерфейсу кожа-носок . Это похоже на интерфейс для обуви и носков в том, что:

• Низкий коэффициент трения обеспечивает раннее относительное движение между ботинком и носком для минимизации сдвига, например: предотвращение образования пузырей
• Разница в том, что риск истирания отсутствует.Потому что в этом случае состояние динамического трения происходит между кожей и носком. Носок остается прилипшим к коже, защищая ее.

Уменьшение пика сдвига

Когда дело доходит до пузырей, действующие силы трения технически описываются «сухим трением». Это просто означает, что два объекта контактируют друг с другом. Сухое трение подразделяется на «трение статическое» и «трение динамическое».

Эта концепция отлично подходит для описания того, как сдвиг достигает своего максимума (пиковый сдвиг).И как этот максимум может вызвать волдыри. Он даже показывает, что вам нужно делать, чтобы успешно предотвратить появление волдырей.

Когда сдвиг вызывает образование пузырей

Волдыри образуются, когда сдвиг является чрезмерным и повторяющимся. Предположительно, существует порог, выше которого сдвиг становится причиной образования пузырей. Этот порог будет разным для каждого человека. У нас нет никаких мер по этому поводу, хотя мы знаем, что есть такая вещь, как склонность к образованию волдырей.

Состояние статического или кинетического трения?

Представьте себе шаткую коробку, стоящую на столе (допустим, она сделана из желе).Если вы толкнете шаткую коробку, чтобы попытаться сдвинуть ее по столу, небольшое усилие не приведет к тому, что движение по столу останется. Это потому, что сила трения между дном контейнера для желе и столом выше, чем сила толчка. Это состояние статического трения . Надавите сильнее, и коробка с желе начнет скользить по столу (да, это очень густое и прочное желе). Это состояние динамического трения . Эти два состояния описывают, что происходит между ящиком и столом.

Теперь, прежде чем шаткая коробка с желе скользит, толчок заставляет ее деформироваться. Это искажение является сдвигом, а сдвиг вызывает волдыри. Сдвиг увеличивается все больше и больше, пока дно коробки не «вырвется» и не сдвинется. То, что происходит дальше, имеет особое значение для предотвращения появления волдырей. Вы видите, как только коробка «вырывается» и скользит, исследования показывают, что сдвиг сразу же уменьшается — см. Ниже.

Статическое трение и динамическое трение

Посмотрите на области static и dynamic на этом графике.Теперь посмотрите, где сдвиг самый высокий. Это в конце статической области, непосредственно перед скольжением. Важным моментом здесь является следующее: состояние статического трения приводит к пику сдвига (Naylor, 1955). Если статическое трение продолжается, вероятность сдвига выше порога образования пузырей. И наоборот, состояние динамического трения снижает сдвиг. Чем раньше сдвигается, тем больше вероятность того, что пик сдвига будет ниже порога образования пузырей. ИНТЕРЕСНО!

Длительное состояние статического трения приводит к более высокому пику сдвига

Предотвращение образования пузырей и пиков сдвига

Предотвращение образования пузырей сводится к уменьшению амплитуды пиков сдвига до уровня ниже порога образования пузырей.Один из способов добиться этого — снизить уровень трения. То есть снизить коэффициент трения (COF), сделав его более скользким. Возвращаясь к аналогии с шатким ящиком, это означает, что между столом и ящиком становится более скользко. Когда применяется толчок, коробка скользит быстрее и пик сдвига ниже (см. Ниже).

Пики сдвига ниже порога образования пузырей из-за более раннего начала динамического трения.

Чем раньше сдвигается скольжение, тем ниже пик сдвига. Именно такой эффект достигается при использовании смазок, пластырей ENGO, впитывающих влагу носков и других методов предотвращения образования пузырей, снижающих трение.

Уменьшая трение, вы поощряете раннее скольжение.

Давайте поясним, чего мы надеемся достичь за счет уменьшения трения для предотвращения образования пузырей. Уменьшая уровень трения , вы поощряете более раннее скользящее движение . Это то, чего вы надеетесь достичь. Это может отличаться от того, что вы представляли ранее. Но уменьшая трение, вы поощряете более раннее скольжение между двумя поверхностями.

Поддержание статического трения (удерживание ступни в обуви) не является главной целью предотвращения образования пузырей.И это, конечно, не то, чего вы пытаетесь достичь за счет уменьшения трения. На самом деле, верно обратное. Сдвиговые травмы можно избежать за счет раннего скольжения. Однако характер слайда имеет решающее значение [степень слайда, расположение и площадь слайда и вероятность дополнительных осложнений в результате слайда]. Это то, что отличает среднюю стратегию профилактики волдырей от отличной.

PS: Концепция статического и динамического трения использовалась для описания причинно-следственной связи пузырей со времен раннего исследования волдырей Нейлора в 1955 году.Ничего нового! Посмотрите, как далеко ушли здесь исследования.

Новый закон трения для статической силы трения, основанный на проскальзывании локального прекурсора

Yu Katano

¹ Физико-математический факультет, Университет Аояма Гакуин, 5-10-1 Fuchinobe, Sagamihara 252-5258, Япония

⁴ Текущий адрес: Отдел прикладных технологий 2, NetOneSystems Co., Ltd., JP TOWER, 2-7-2, Маруноути, Тиёда-ку, Токио 100-7024, Япония.

Кен Накано

² Факультет окружающей среды и информационных наук, Йокогамский национальный университет, 79-7 Токивадай, Ходогая, Иокогама 240-8501, Япония

Мичио Оцуки

³ Департамент материаловедения, Университет Симанэ 1060 Nishikawatsu-cho, Matsue 690-8504, Япония

Hiroshi Matsukawa

¹ Физико-математический факультет, Университет Аояма Гакуин, 5-10-1 Fuchinobe, Sagamihara 252-5258, Япония

^{1 Физико-математический факультет, Университет Аояма Гакуин, 5-10-1 Фучинобе, Сагамихара 252-5258, Япония}

² Факультет окружающей среды и информационных наук, Национальный университет Йокогамы, 79-7 Токивадай, Ходогая, Йокогама 240-8501, Япония

³ Департамент материаловедения, Университет Симанэ, 1060 Nishikawatsu-cho, Matsue 690-8504, Japan

⁴ Текущий адрес: инженер по прикладным технологиям Отделение 2, NetOneSystems Co., Ltd., JP TOWER, 2-7-2, Маруноути, Тиёда-ку, Токио 100-7024, Япония.

Поступила 24.06.2014; Принято 20 августа 2014 г.

Copyright © 2014, Macmillan Publishers Limited. Все права защищены. Эта работа находится под международной лицензией Creative Commons Attribution 4.0. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной линии; если материал не включен в лицензию Creative Commons, пользователям потребуется получить разрешение от держателя лицензии, чтобы воспроизвести материал.Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/Эту статью цитировали другие статьи в PMC.

Abstract

Для скольжения твердого объекта по твердой подложке требуется сила сдвига, превышающая максимальную силу трения покоя. Обычно считается, что максимальная сила статического трения пропорциональна силе нагрузки и не зависит от кажущейся площади контакта. Отношение максимальной силы статического трения к силе нагрузки называется коэффициентом статического трения µ _M , который считается постоянным.Здесь мы проводим эксперименты, демонстрирующие, что сила статического трения ползуна о подложку подчиняется новому закону трения при определенных условиях. Величина µ _M уменьшается по мере увеличения силы нагрузки или уменьшения видимой площади контакта. Такое поведение вызвано проскальзыванием локальных предшественников перед началом объемного скольжения и согласуется с недавней теорией. Результаты этого исследования позволят разработать новые методы контроля статического трения.

Приложение силы сдвига, превышающей максимальную силу статического трения, к ползуну на базовом блоке заставляет ползунок начать скольжение.Кинетическая сила трения действует на ползун в состоянии скольжения. Трение проявляется в различных системах от атомных до геологических масштабов и изучается с древних времен ^{1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6} . С инженерной точки зрения контроль трения имеет решающее значение для эффективного функционирования машин и может способствовать решению проблем в области энергетики и глобального потепления. ^{4 , 5 , 6} . В 15 веке да Винчи обнаружил, что сила трения пропорциональна силе нагрузки и не зависит от видимой площади контакта между двумя твердыми объектами.Примерно 200 лет спустя Амонтоны заново открыли эти результаты, которые теперь все вместе называют законом Амонтона. Обычно считается, что этот закон применим для различных систем, обсуждается в школьных учебниках и используется для контроля трения в различных машинах. Отношение максимальной силы статического трения к силе нагрузки называется коэффициентом статического трения. Когда выполняется закон Амонтона, это соотношение является константой, которая не зависит от силы нагрузки или видимой площади контакта.

Механизмы трения обычно объясняются следующим образом: ^{1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6} . Шероховатость твердых поверхностей, контактирующих друг с другом, приводит к очень малой общей площади реальных точек контакта по сравнению с кажущейся площадью контакта. Реальные точки контакта дают конечную прочность на сдвиг на границе раздела, которая создается межатомными или межмолекулярными силами. Относительное скользящее движение между двумя контактирующими твердыми телами требует приложения силы сдвига, превышающей общую прочность на сдвиг, то есть должна быть приложена максимальная сила статического трения.Общая площадь реальных точек контакта называется реальной площадью контакта. Считается, что реальная площадь контакта пропорциональна силе нагрузки и не зависит от кажущейся площади контакта, а прочность на сдвиг на единицу реальной площади контакта постоянна. Таким образом, сила трения пропорциональна силе нагрузки, не зависит от кажущейся площади контакта и закон Амонтона выполняется. Обратите внимание, что на сегодняшний день также были предложены альтернативные схемы для объяснения механизмов трения и закона Амонтона ⁷ .

В последнее время контактный интерфейс стал интересной темой в случае трения для силы сдвига, которая меньше макроскопической максимальной силы статического трения F _s ^max , что соответствует началу скользящего движения для весь слайдер ^{8 , 9 , 10 , 11 , 12} . Массовое скольжение при этом не происходит. Мгновенная и локальная плотности реальной контактной области были измерены с использованием пропускания и отражения лазерного листа, демонстрируя, что локальное проскальзывание прекурсора происходит на границе контакта между ползунком из полиметилметакрилата (ПММА) и базовым блоком из ПММА ^{8 , 9 , 10 , 11 , 12} .Сила сдвига прикладывается к ползуну толкающим стержнем или пружиной на задней кромке ползуна. Фронт предвестника начинается от задней кромки ползуна и останавливается после прохождения определенного расстояния. Фронт следующего предвестника также начинается от задней кромки через определенный интервал и останавливается после того, как длина распространения больше, чем предыдущая длина. Первоначально длина распространения постепенно увеличивается с увеличением количества предшественников; однако после превышения критической длины длина распространения начинает быстро расти.Когда фронт прекурсора достигает передней кромки ползуна, происходит объемное скольжение. Такое поведение наблюдалось в различных экспериментах ^{8 , 9 , 10 , 11 , 12} , а скорость распространения фронта была исследована в экспериментах ^{8 , 9 , 10 , 11} и в численных и теоретических исследованиях ^{12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19} .

Бен-Давид и др. экспериментально сообщил, что макроскопический коэффициент статического трения µ _M = F _s ^max / W , где W — сила нагрузки, сильно зависит от динамики предшественника ¹¹ . С другой стороны, подходы метода конечных элементов (FEM) и аналитические расчеты были использованы, чтобы показать, что µ _M уменьшается по мере увеличения давления и длины системы L ¹⁹ .Это поведение определяется динамикой предшественника, и квазистатический предшественник переходит в быстрое движение на критической длине l _c . В расчетах предполагается, что закон Амонтона выполняется локально, т.е. локальное напряжение трения пропорционально локальному давлению. Было получено следующее соотношение:

, когда l _c / L меньше единицы ¹⁹ . Здесь µ _s и µ _k — местные коэффициенты статического и кинетического трения соответственно.Зависимость l _c от силы нагрузки дает новый закон трения:

, где a — константа, не зависящая от W . Когда величина W и L такова, что l _c / L близка к 0 или единице, закон Амонтона приблизительно выполняется. Вышеупомянутые зависимости были получены из аналитического расчета эффективной одномерной модели и подтверждены расчетом 2D FEM.Однако экспериментально эти результаты еще не подтверждены.

В этом исследовании мы экспериментально исследуем динамику прекурсора и макроскопический статический коэффициент трения ползуна из ПММА, загруженного на базовый блок из ПММА, используя пропускание лазерного листа. Обнаружено, что макроскопический коэффициент статического трения уменьшается с увеличением силы нагрузки. Экспериментальные результаты показывают небольшую зависимость от скорости движения или высоты от поверхности контакта, к которой прикладывается тангенциальная сила пружины, которую мы называем поперечной силой.Результаты подтверждают соотношения (1) и (2) в пределах экспериментальной точности, то есть нарушение закона Амонтона и справедливость нового закона трения (Ур. (2). Также указывается, как эти отношения связаны с локальным проскальзыванием предвестника. Полученные здесь результаты согласуются с предыдущими экспериментальными исследованиями ²⁰ , включая работу Ben-David et al. , указанный выше ¹¹ . Более того, макроскопический коэффициент статического трения уменьшается по мере уменьшения видимой площади контакта.Этот результат также указывает на нарушение закона Амонтона.

Результаты

Мы прикладываем силу сдвига к ползуну с помощью пластинчатой ​​пружины на высоте h от контактной поверхности с постоянной движущей скоростью V, и равномерной нормальной силой F _z . показывает типичное изменение силы сдвига во времени для V = 0,4 мм / с, h = 10 мм и F _z = 400 Н. После начала движения пластинчатой ​​пружины сила сдвига увеличивается линейно от 0 с течением времени t , что означает, что сила сдвига уравновешивает силу трения покоя; ползунок в этом режиме покоится.Сила сдвига падает сразу после достижения максимального значения при т = 5,8 с. Падение вызвано скользящим движением всего ползунка и сопровождается остановкой ползунка. Максимальное значение поперечной силы — это макроскопическая сила трения покоя F _s ^max . Сила сдвига увеличивается линейно и периодически резко падает, то есть возникает периодическое скачкообразное движение. На вставке показан увеличенный вид F _x рядом с t = 5 с.Перед большим падением поперечной силы, соответствующим началу объемного скольжения, существует последовательность маленьких капель, которые показаны черными стрелками. Такое поведение указывает на то, что предшественники выглядят как частичное скольжение, когда сила сдвига меньше макроскопической максимальной силы статического трения.

Изменение во времени поперечной силы, а также мгновенных и местных плотностей реальной площади контакта.

(a) Сила сдвига и (b) мгновенная и локальная плотности реальной площади контакта показаны для V = 0.4 мм / с , h = 10 мм и F _z = 400 Н. На вставке (а) показано увеличенное изображение F _x рядом с t = 5 с. Стрелки указывают, когда происходит локальное проскальзывание предшественника, вертикальные пунктирные линии показывают, когда происходит объемное скольжение, а красные кружки обозначают, где прекращается локальное проскальзывание предшественника.

Пространственно-временное распределение реальной плотности контактной площади четко показывает последовательность дискретных предвестников скольжения, которые начинаются от задней кромки ползуна.Такое поведение является результатом относительно небольшого давления в нижней части задней кромки, вызванного крутящим моментом, вызванным силой сдвига, даже несмотря на то, что приложенное давление является равномерным ^{17 , 18 , 19} . Каждый фронт предвестника останавливается после прохождения определенной длины, как показано красными кружками на рисунке. Длина распространения последующего предшественника превышает длину распространения предыдущего предшественника. Когда фронт прекурсора достигает передней кромки ползуна, происходит объемное скольжение и сила сдвига резко падает.

показывает длину распространения l предшественников, нормированную на длину ползуна L , как функцию отношения силы сдвига F _x к силе нагрузки W для различных величин движущей скорости. V (), различные высоты h , на которых прикладывается сила сдвига (), и различные приложенные нормальные силы F _z (). Сила нагрузки W представляет собой сумму приложенной нормальной силы F _z в верхней плоскости ползуна и веса ползуна Mg = 6 Н, где M — масса ползуна. и g — ускорение свободного падения.Первоначально l увеличивается линейно с небольшим наклоном с увеличением F _x / W ; однако l быстро превышает определенное значение F _x / W для любых условий. Две сплошные прямые линии показывают результаты подгонки данных в диапазонах малых и больших значений F _x / W , соответственно, для всех условий в (a) и (b). На (c) две сплошные прямые линии одного цвета показывают результаты подгонки данных для малых и больших значений F _x / W , соответственно, для каждой величины F _z .Мы можем определить критическую длину, нормированную на системную длину l _c / L , исходя из пересечения двух сплошных прямых линий. Величины l _c / L обозначены пунктирными горизонтальными линиями на фигурах и соответствуют критической длине медленного увеличения длины распространения предвестникового фронта . Величина l _c / L не зависит от скорости движения или высоты h и составляет примерно 0.45 для F _z = 400 Н. Когда передний край прекурсора достигает передней кромки ползуна, происходит объемное скольжение. Значение F _x / W при l / L = 1 соответствует макроскопическому коэффициенту статического трения µ _M . показывает l / L как функцию F _x / W для различных нормальных сил. Критическая длина l _c появляется для любого значения приложенной нормальной силы, но величина l _c зависит от приложенной нормальной силы.Более подробно этот результат будет рассмотрен ниже.

Длина распространения л в зависимости от усилия сдвига F _x .

Длина распространения l предшественников, нормированная на длину ползуна L , показана как функция поперечной силы F _x , которая нормирована на силу нагрузки W , для различные величины (а) движущей скорости V , (b) высоты h , на которой прикладывается сила сдвига, и (c) приложенной нормальной силы F _z .В (а) F _z = 400 Н и h = 0 мм; в (б), F _z = 400 Н и V = 0,4 мм / с; и в (c), V = 0,4 мм / с и h = 0 мм. Две сплошные прямые линии показывают результаты подгонки данных в диапазонах малых и больших значений F, _x / W , соответственно, для всех условий в (a) и (b), поскольку поведение не зависит от V и h .На (c) две сплошные прямые линии одного цвета показывают результаты подгонки данных для малых и больших значений F _x / W , соответственно, для каждой величины F _z , потому что поведение зависит от F _z . Пунктирные линии показывают критическую длину l _c , нормированную на L , определенную пересечением двух сплошных прямых линий.

Мы также измерили величину макроскопического коэффициента статического трения µ _M , который соответствует началу объемного скольжения ползуна в различных условиях.показывает зависимость µ _M от силы нагрузки для различных значений скорости движения V () и высоты h (). Каждая точка на рисунке представляет собой среднее значение от 3 до 9 (обычно 9) измерений. Закон Амонтона гласит, что μ _M не зависит от силы нагрузки. Однако показано, что μ _M уменьшается по мере увеличения нагрузки для всех значений V и h .Такое поведение указывает на нарушение закона Амонтона и согласуется с результатами, полученными с помощью МКЭ и аналитических расчетов ¹⁹ . Скорость движения V и высота h мало влияют на величину μ _M . Обратите внимание, что видимая площадь контакта между ползуном и базовым блоком изменяется незначительно в диапазоне нагрузочных сил, используемых в эксперименте.

Макроскопический коэффициент статического трения µ _M vs.нагрузочная сила Вт .

Зависимость макроскопического коэффициента статического трения μ _M от силы нагрузки W показана для различных значений (а) скорости движения V и (б) высоты h . Планки погрешностей указывают стандартное отклонение. На (а) h = 0 мм, а на (б) V = 0,4 мм / с. Пунктирными линиями показаны результаты, полученные при подгонке данных по формуле. (3) для В = 0.4 мм / с и h = 0 мм.

Зависимость µ _M от силы нагрузки хорошо описывается следующей формулой:

Здесь a , b и n являются подгоночными параметрами. Пунктирными линиями показаны результаты подгонки для V = 0,4 мм / с и h = 0 мм. Значения параметров, полученные с помощью метода взвешенных наименьших квадратов, равны a = 0,53 ± 0,15, b = 0,32 ± 0.24 и n = -0,16 ± 0,15, которые мало зависят от условий эксперимента. Величина ошибок соответствует стандартному отклонению. Ссылка ¹⁹ сообщает, что n = -1/3, как отмечено в уравнении. (2), полученный аналитическим методом на основе эффективной одномерной модели. Результат подтверждается расчетом 2D FEM. Вышеупомянутое экспериментально полученное значение n количественно согласуется с теоретическим результатом в пределах экспериментальной точности.Таким образом, новый закон трения, заданный формулой. (2) проверено экспериментально.

Ссылка ¹⁹ также предсказывает взаимосвязь между μ _M и l _c , уравнение. (1). показывает экспериментальные результаты для μ _M в зависимости от l _c / L . На рисунке показано, что μ _M определяется l _c / L , что означает, что зависимость μ _M от силы нагрузки вызвана проскальзыванием предвестника.Фактически, l _c / L уменьшается с увеличением силы нагрузки, как показано на вставке, что вызывает уменьшение μ _M с увеличением силы нагрузки. Линейная зависимость между μ _M и l _c , показанная на рисунке, согласуется с теоретическим предсказанием, уравнение. (1) ¹⁹ . Мы использовали метод наименьших квадратов, чтобы подогнать следующую формулу к экспериментальным данным:

Здесь α и β — подгоночные параметры.Пунктирной линией показаны результаты подгонки для параметров: α = 0,89 ± 0,15 и β = 0,092 ± 0,077. Уравнение (4) достаточно хорошо согласуется с экспериментальными данными. В исх. ¹⁹ , оба b в уравнении. (3) и β в уравнении. (4) соответствуют локальному кинетическому коэффициенту трения μ _k . Следовательно, мы можем оценить значение μ _k , используя два независимых метода. Два оценочных значения равны друг другу в пределах экспериментальной точности.Таким образом, теоретические предсказания подтвердились. Предполагается, что значение α соответствует µ _s — µ _k, , как показано в уравнении. (2) ¹⁹ . Значения µ _с и µ _k , полученные при подгонке уравнения. (4) к экспериментальным данным равны µ _с = 0,98 ± 0,17 и µ _k = 0,092 ± 0,077, что согласуется с предыдущим экспериментальным исследованием ¹¹ .

Макроскопический коэффициент статического трения µ _M в зависимости от критической длины прекурсора l _c .

Зависимость макроскопического коэффициента статического трения µ _M показана для критической длины распространения предшественника l _c , которая нормирована длиной ползуна L . Пунктирная линия показывает аппроксимирующую кривую, полученную по формуле. (4). На вставке показана зависимость l _c / L от силы нагрузки W .Экспериментальные параметры: V = 0,4 мм / с и h = 0 мм.

Закон Амонтона также гласит, что коэффициент трения не зависит от видимой площади контакта. Исследуем зависимость кажущейся площади контакта от макроскопического коэффициента статического трения. показаны значения µ _M , нанесенные на график как функция различной длины скользящей поверхности L ‘, то есть для различных величин кажущейся площади контакта. Для проведения этого эксперимента две области нижней части ползунка удаляются.Форма ползунка показана в дополнительных методах. Из рисунка ясно видно, что макроскопический коэффициент статического трения зависит от кажущейся площади контакта. Этот результат также указывает на нарушение закона Амонтона.

Макроскопический коэффициент статического трения µ _M в зависимости от длины поверхности скольжения L ‘.

Зависимость макроскопического коэффициента статического трения μ _M показана для длины скользящей поверхности L ‘, т.е.е., кажущаяся площадь контакта. Длина верхней поверхности ползуна поддерживается постоянной и составляет L = 100 мм. Планки погрешностей указывают стандартное отклонение. Экспериментальные параметры: V = 0,4 мм / с и h = 0 мм.

Обсуждение

В этом исследовании мы исследуем фрикционное поведение твердого слайдера на твердом базовом блоке. Мы наблюдаем проскальзывание предвестника до начала объемного скольжения; каждое из этих проскальзываний вызывает небольшое снижение силы сдвига, приложенной к ползуну.Передняя часть предшественника скольжения начинается от задней кромки ползуна и останавливается после прохождения длины l . После определенного интервала следующий предвестник начинает проскальзывать от задней кромки и останавливается после длины распространения l , которая больше, чем длина распространения предыдущего предвестника. Первоначально величина длины распространения l постепенно увеличивается; однако после превышения критической длины l _c длина распространения быстро увеличивается.Величина l _c зависит от силы нагрузки W . Мы также обнаружили, что макроскопический коэффициент статического трения μ _M уменьшается по мере увеличения W . Уменьшение μ _M с увеличением W согласуется с данными недавней работы Ben-David и др. ¹¹ , хотя они не обсуждали это поведение. Такое поведение указывает на нарушение закона Амонтона и согласуется с 2D FEM и аналитическими расчетами ¹⁹ .Ссылка ¹⁹ предсказывает новый закон трения Ур. (2), из которого следует, что макроскопический коэффициент статического трения является суммой члена, который пропорционален W ^–1/3 и локальному кинетическому коэффициенту трения μ _k . Мощность –1/3 зависимости Вт от µ _M согласуется с настоящими экспериментальными результатами в пределах экспериментальной точности. Следовательно, новый закон трения Ур. (2), проверено экспериментально.

Линейная зависимость между μ _M и l _c также согласуется с теоретическим предсказанием ¹⁹ и указывает на то, что зависимость μ _M от силы нагрузки вызвана предшественником соскальзывать. Два независимых метода дают одинаковую оценку локального кинетического коэффициента трения μ _k в пределах экспериментальной точности и подтверждают теоретическое предсказание. Величина µ _M зависит от видимой площади контакта, что также указывает на нарушение закона Амонтона.

В теоретических расчетах 2D FEM и 1D ¹⁹ квазистатическое проскальзывание предвестника появляется и непрерывно растет от задней кромки ползунка. Когда фронт квазистатического предшественника достигает критической длины l _c , квазистатический предшественник становится нестабильным и превращается в ведущий быстрый предшественник, который начинает двигаться с высокой скоростью к передней кромке ползуна. . Когда передняя часть прекурсора достигает передней кромки, происходит объемное скольжение.В исх. ¹⁹ , предполагается, что закон Амонтона выполняется локально, а коэффициент местного трения считается функцией только мгновенной локальной скорости. Когда местная скорость становится конечной, величина местного коэффициента трения уменьшается линейно с локальной скоростью скольжения от значения местного статического коэффициента трения µ _с . Выше определенной скорости коэффициент местного трения принимает постоянное значение, равное локальному кинетическому коэффициенту трения μ _k .После того, как происходит объемное высокоскоростное скольжение, величина отношения местного напряжения сдвига к местному давлению поддерживается на уровне, соответствующем высокоскоростному объемному скольжению из-за конечного времени релаксации, вызванного вязкостью; это отношение совпадает с μ _k . Однако величина отношения местного напряжения сдвига к местному давлению совпадает с μ _с в области, через которую прошел квазистатический предшественник, поскольку скорость скольжения и расстояние скольжения предшественника достаточно малы. .Значение μ _M задается распределением напряжения сдвига, которое возникает, когда фронт квазистатического предшественника достигает критического значения l _c . Таким образом, μ _M определяется l _c , и линейная связь между этими двумя переменными, уравнение. (1) выполняется. Зависимость l _c от силы нагрузки W дает зависимость μ _M от W .Величина l _c определяется конкуренцией между стабилизацией и дестабилизацией квазистатического предшественника. Стабилизация вызвана вязкостью, а дестабилизация вызвана локальным напряжением трения, которое уменьшается со скоростью. Эффект дестабилизации увеличивается с W. Анализ размеров первичных условий временной эволюции флуктуации вокруг квазистатического раствора-предшественника показывает, что l _c / L пропорционально W ^{— 1/3} .Таким образом, выражение для μ _M содержит член, который пропорционален W ^–1/3 . Когда величина W и L такова, что l _c / L близка к 0 или единице, закон Амонтона приблизительно выполняется.

Влияние динамики предшественника на μ _M и зависимость μ _M от размера ползуна и условий нагружения обсуждались в ссылке. ²¹ . Однако модель, использованная в этой работе, не учитывает влияние крутящего момента, вызванного поперечной силой, а затем неравномерность давления в нижней части ползуна, которая вызывает переход предвестника скольжения на 90-305 л. _c в исх. ¹⁹ и в настоящей работе, как обсуждалось ранее. Механизм изменения коэффициента трения покоя в исх. ²¹ считается отличным от указанного в исх. ¹⁹ и в настоящей работе.

В экспериментах, включая настоящее исследование ^{9 , 10 , 11 , 12} , однако, отдельные события-предвестники наблюдаются дискретно, в то время как квазистатический предшественник не наблюдается. Эти результаты можно объяснить конечным разрешением экспериментов и малым расстоянием скольжения квазистатического предвестника. Эти факторы могли помешать наблюдению квазистатического предшественника в экспериментах. Таким образом, прекурсор с длиной распространения ниже критической длины, наблюдаемой в экспериментах, будет соответствовать ограниченному быстрому прекурсору, который наблюдался в теоретических расчетах 2D FEM и 1D, и имеет конечную скорость распространения, но останавливается за пределами определенной длины ¹⁹ .Переход ограниченного быстрого предшественника в лидирующий быстрый предшественник происходит около l _c . Другими возможными механизмами исчезновения квазистатического предшественника в экспериментах являются дискретный характер каждой реальной точки контакта или небольшое отклонение местного закона трения, принятого в расчетах ¹⁹ , от действительного местного закона трения. Как упоминалось ранее, местное напряжение трения определяется местным давлением и мгновенной скоростью скольжения в исх. ¹⁹ . В реальной системе сила трения имеет гистерезис ^{22 , 23} . Эти эффекты могут преобразовать квазистатический непрерывный прекурсор в дискретный прекурсор. Как упоминалось ранее, зависимость l _c от силы нагрузки W является результатом анализа размеров, и ожидается, что такая же зависимость W от l _c будет сохраняться даже в случае исчезновение квазистатического предвестника.

В экспериментах ^{9 , 10 , 11 , 12} предшественник с длиной распространения, превышающей критическую, может останавливаться в ползунке. Такое поведение не было предсказано в расчетах FEM ¹⁹ . Однако расчеты FEM были выполнены в ограниченном диапазоне длин ползунков, и расчеты для более длинных ползунков могут показывать поведение, подобное наблюдаемому в экспериментах. После остановки прекурсора с длиной распространения, превышающей критическую l _c , он должен оставить отпечаток перехода на l _c .Экспериментально наблюдаемая линейная зависимость между макроскопическим коэффициентом статического трения и критической длиной l _c показывает, что отпечаток соответствует распределению напряжения, когда длина распространения предшественника достигает l _c , которое сохраняется после последующий предшественник прошел. Таким образом, согласие между полученными здесь экспериментальными результатами и расчетом сохраняется.

В заключение, мы показали, что макроскопический коэффициент статического трения твердых объектов уменьшается с увеличением силы нагрузки и уменьшением видимой площади контакта.Эти результаты указывают на нарушение закона Амонтона и справедливость нового закона трения, уравнения. (2). Такое поведение вызвано проскальзыванием прекурсора перед объемным скольжением. Наблюдаемые результаты согласуются с предсказаниями аналитических расчетов 2D FEM и 1D ¹⁹ . Результаты, полученные в этом исследовании, могут привести к новым методам управления максимальной силой статического трения.

Методы

Передача лазерного листа используется для измерения мгновенной и локальной плотности реальной области контакта между ползуном и базовым блоком, которые оба состоят из ПММА.Площадь линейного контакта ползуна с базовым блоком составляет 100 мм в длину и 0,8 мм в ширину. Нормальная сила F _z прилагается равномерно к верхней поверхности ползуна. Аппаратура и экспериментальные методы, применяемые здесь, аналогичны тем, которые использовались в ссылке. ¹² , кроме способа вождения. Ползун толкается листовой пружиной через L-образный рычаг из нержавеющей стали на высоте h от контактной поверхности. Листовая рессора с жесткостью пружины k = 95 кН / м перемещается с постоянной приводной скоростью V в диапазоне от 0.От 1 до 1,0 мм / с. Подробная информация об экспериментальной аппаратуре и методах представлена ​​в дополнительных методах.

Авторские взносы

Ю.К. проводил эксперименты. Ю.К. и К. подготовил все цифры. Ю.К., К.Н., М.О. и Х. участвовал в анализе, обсуждениях и подготовке рукописи.

Дополнительные материалы

Дополнительная информация:

Дополнительные методы

Благодарности

Авторы благодарят S. Maegawa, N.Кадо и К. Тадокоро за ценные обсуждения и техническую поддержку. Работа выполнена при финансовой поддержке KAKENHI (22540398), (25800220) и (26400403) от MEXT.

Ссылки

• Bowden F. P. и Tabor D. Трение и смазка твердых тел (Oxford University Press, Нью-Йорк, 1950). [Google Scholar]
• Перссон Б. Н. Дж. Скользящее трение — физические принципы и приложения -, 2-е изд. (Springer, Berlin, 2000). [Google Scholar]
• Попов В.Л.Контактная механика и трение — физические принципы и приложения — (Springer, Berlin, 2010). [Google Scholar]
• Рабинович Э. Трение и износ материалов, 2-е изд. (John Wiley & Sons, New York, 1995). [Google Scholar]
• Доусон Д. History of Tribology, 2nd ed ((John Wiley & Sons, New York, 1998). [Google Scholar]
• Bhushan B. Принципы и применение трибологии, 2-е изд (Джон Вили и сыновья, Нью-Йорк, 2013). [Google Scholar]
• Мюзер М.Х., Веннинг Л. и Роббинс М. О. Простая макроскопическая теория законов Амонтона для статического трения. Phys. Rev. Lett. 86, 1295–1298 (2001). [PubMed] [Google Scholar]
• Рубинштейн С. М., Коэн Г. и Файнберг Дж. Фронты отрыва и возникновение динамического трения. Природа 430, 1005–1009 (2004). [PubMed] [Google Scholar]
• Рубинштейн С. М., Коэн Г. и Файнберг Дж. Динамика предвестников фрикционного скольжения. Phys. Rev. Lett. 98, 226103 (2007). [PubMed] [Google Scholar]
• Бен-Дэвид О., Коэн Г. и Файнберг Дж. Динамика возникновения фрикционного скольжения. Наука 330. С. 211–214 (2010). [PubMed] [Google Scholar]
• Бен-Дэвид О. и Файнберг Дж. Статический коэффициент трения не является постоянной величиной. Phys. Rev. Lett. 106, 254301 (2011). [PubMed] [Google Scholar]
• Маэгава С., Судзуки А. и Накано К. Предвестники глобального скольжения в продольном линейном контакте при неоднородной нормальной нагрузке. Трибол. Lett. 2010. Т. 38. С. 313–323. [Google Scholar]
• Браун О.М., Барел И., Урбах М. Динамика перехода от статического трения к кинетическому. Phys. Rev. Lett. 103, 194301 (2009). [PubMed] [Google Scholar]
• Бушбиндер Э., Бренер Э. А., Барел И. и Урбах М. Медленная трещиноподобная динамика в начале фрикционного скольжения. Phys. Rev. Lett. 107, 235501 (2011). [PubMed] [Google Scholar]
• Каммер Д. С., Ястребов В. А., Спайкер П., Молинари Ж.-Ф. О распространении фронтов скольжения на границах раздела фаз трения. Трибол. Lett. 48, 27–32 (2012).[Google Scholar]
• Бар-Синай Ю., Спачек Р., Бренер Э. А. и Бушбиндер Э. Неустойчивости на интерфейсах трения: пятна ползучести, фронты зарождения и разрыва. Phys. Преподобный Э. 88, 060403 (2013). [PubMed] [Google Scholar]
• Scheibert J. & Dysthe D. K. Роль момента, вызванного трением, в скачкообразном движении. Europhys. Lett. 92, 54001 (2010). [Google Scholar]
• Amundsen D. S., Scheibert J., Thøgersen K., Trømborg J. & Malthe-Sørenssen A. Одномерная модель предшественников движения при трении при скачкообразном движении, позволяющая проводить надежное сравнение с экспериментами.Трибол. Lett. 45. С. 357–369 (2012). [Google Scholar]
• Оцуки М. и Мацукава Х. Систематическое нарушение закона трения Амонтона для упругого объекта, локально подчиняющегося закону Амонтона. Sci. Rep. 3, 1586 (2013). [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Bouissou S., Petit J. P. & Barquins M. Влияние нормальной нагрузки, скорости скольжения и шероховатости на динамику скольжения полиметилметакрилата 1. Стабильное скольжение — переход к скачкообразному скольжению. Носить 214, 156–164 (1998). [Google Scholar]
• Капоцца Р.И Урбах М. Статическое трение и динамика межфазного разрыва. Phys. Ред. B 86, 085430 (2012). [Google Scholar]
• Дитрих Дж. Х. и Килгон Б. Д. Прямое наблюдение за фрикционными контактами: новый взгляд на свойства, зависящие от состояния. СТРАНИЦА 143, 283–302 (1994). [Google Scholar]
• Heslot F., Baumberger T., Perrin B., Caroli B. & Caroli C. Ползучесть, прерывистое скольжение и динамика сухого трения: эксперименты и эвристическая модель. Phys. Ред. E 49, 4973–4988 (1994). [PubMed] [Google Scholar]

Статическое трение — обзор

4.05.1.2 Основополагающие законы разрушения при сдвиге, восстановления трением и трения Винчи

. Кулон (1785) измерил зависимость статического трения от времени, в первую очередь смазанной древесины, а также металлов, и получил степенное соотношение старения

[1] F = A + mTn

, где F — сила трения, представляет собой когезионные или адгезионные эффекты, T — время контакта, а m и n — эмпирические константы (см. Сводку в Dowson, 1979).Значение Coulomb n было ≈ 0,2, что для его диапазона доступного времени контакта согласуется с недавними работами, в которых старение обычно записывается в виде журнала: F = A + m ln ( Т ). Кулон уточнил свое соотношение старения, чтобы учесть кратковременные и долговременные эффекты насыщения, и предложил альтернативные формы для уравнения [1]. Кроме того, он установил связь между старением и своим вторым эмпирическим законом трения, который широко использовался в качестве критерия хрупкого разрушения при изучении разломов (см.г., Белардинелли и др., 1999; Baumberger and Caroli, 2006, и ссылки в нем):

[2] F = A + μP

, где P — нормальная сила, а μ — коэффициент трения. Кулон отметил, что соотношение старения [1] дало объяснение разницы между статическим трением и кинетическим трением в уравнении [2] и предложил физический механизм, включающий взаимное проникновение волокнистых поверхностей для зависящего от времени статического трения.

Различие между трением покоя и кинетическим трением определяет простейший закон трения.Однако, как отметили Coulomb и многие последующие исследователи, при инициировании скольжения возникает нефизическая сингулярность. Рабинович (1951, 1956, 1958) решил эту проблему и вдохновил следующее поколение законов трения, показав, что трение развивается на характерном расстоянии скольжения D _c , которое он связал с физическими характеристиками контактов с неровностями. Выводы Rabinowicz были сформулированы в виде закона трения, ослабляющего скольжение (e.г., Ида, 1972; Палмер и Райс, 1973).

Однако трение, ослабляющее скольжение, только усложняет заживление трением. То есть теперь, помимо вопроса о том, как статическое трение сбрасывается после отказа, мы можем спросить, как сбрасывается характерное расстояние скольжения. Является ли D _c свойством статического или динамического контакта, и поэтому ожидается ли, что оно будет меняться в зависимости от времени или скорости скольжения? Более того, если мы допускаем зависимость статического трения от времени и зависимость кинетического трения от скорости, как, если вообще, связаны эти эффекты с восстановлением статической силы трения после отказа или с началом или прекращением нестабильного скольжения?

Для решения этих проблем были разработаны законы скорости и трения между состояниями (RSF) (Dieterich, 1972, 1978, 1979; Rice and Ruina, 1983; Ruina, 1980, 1983).В контексте законов RSF зависящее от времени заживление трением и заживление трением, зависящее от скольжения, являются проявлениями тех же процессов, которые приводят к зависящим от скорости кинетическому трению и эффектам памяти. Существует два различных взгляда на исцеление (см., Например, Bayart et al., 2006; Beeler et al., 1994; Dieterich and Kilgore, 1994; Karner and Marone, 1998, 2001; Linker and Dieterich, 1992; Marone, 1998a; Руина, 1983). В одном из них, который мы называем законом Дитериха , заживление, по сути, является зависящим от времени процессом, включающим рост площади контакта неровностей (например,g., Dieterich and Kilgore, 1994, 1996a, b) или увеличение прочности контактного соединения (Li et al., 2011; Tullis, 1996). Согласно альтернативной точке зрения, называемой законом Руина или законом скольжения , любая эволюция физической поверхности, включая заживление, требует скольжения (например, Руина, 1980, 1983), и скорость заживления равна нулю для истинного стационарного контакта.

В обоих взглядах на эволюцию состояния трения средний возраст фрикционных контактов определяется величиной, обратной величине скорости скольжения, деленной на D _c , а макроскопическая прочность на трение увеличивается с возрастом контактного соединения.Однако, в то время как заживление, зависящее от времени, очевидно, просто — если представить себе рост и укрепление контактов посредством эластопластических процессов, — механизмы, которые могут вызвать заживление, зависящее от скольжения, менее очевидны. В толковании закона Руина промах приводит как к исцелению, так и к ослаблению (как более подробно обсуждается в последующем тексте). Для многоконтактных твердых поверхностей заживление, зависящее от скольжения, могло возникнуть в результате вспашки или вдавливания с усилением сдвига, а в гранулированных материалах оно могло возникнуть в результате уплотнения с усилением сдвига.Однако существующие экспериментальные данные ограничены и двусмысленны: некоторые результаты подтверждают интерпретацию закона Дитериха , а другие — интерпретацию закона Руина (Bayart et al., 2006; Beeler et al., 1994; He et al., 1999). ; Karner and Marone, 1998; Li et al., 2011; Linker and Dieterich, 1992; Losert et al., 2000; Nakatani and Mochizuki, 1996; Richardson and Marone, 1999). Мы обращаемся к этой проблеме в следующем тексте с новыми данными и анализом.

В предыдущих исследованиях заживления трением влияние скорости нагружения не было широко оценено (исключения см. В Beeler et al., 1994; Джонсон, 1981; Като и др., 1992; Мароне, 1998b). Измерения фрикционного старения были сосредоточены главным образом на зависящем от времени статическом трении, и они проводились либо в испытаниях скольжения-удержания-скольжения (SHS), либо путем приведения двух поверхностей в контакт и ожидания в течение заданного времени перед приложением сдвигающей нагрузки (например, , Brockley and Davis, 1968; Coulomb, 1785; Dieterich, 1972). Детали скорости стрижки считались неважными и обычно не сообщались. Однако экспериментальные результаты показывают, что старение и трение покоя зависят от скорости нагружения, так что трение покоя систематически увеличивается с увеличением скорости нагружения (Baumberger et al., 1999; Мароне, 1998b). Более того, в тестах SHS заживление зависит от напряжения сдвига (Berthoud et al.