Силы трения — презентация онлайн

Силы трения
1

2. Сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого направленная в сторону противоположную движению

Сила трения обозначается буквой F с индексом Fтр
Измеряется в
Ньютонах [H]
2
Причина трения
Шероховатость
поверхностей
соприкасающихся тел
Взаимное притяжение
молекул
соприкасающихся тел
3
ТРЕНИЕ
Скольжения
Качения
Покоя
4
■ Трение скольжения. При действии сдвигающей силы,
приложенной к телу, покоящемуся на шероховатой поверхности,
возникает сила, противодействующая возможному смещению
тела (сила трения сцепления) из равновесного положения или
его действительному перемещению (сила трения скольжения)
при его движении.
Основные законы трения (Амонтона — Кулона):
1. Сила трения лежит в касательной плоскости к
соприкасающимся поверхностям и направлена в сторону
противоположную направлению, в котором приложенные к телу
силы стремятся его сдвинуть или сдвигают в действительности
(реактивный характер).
2. Сила трения изменяется от нуля до своего максимального
значения 0 Fтр Fтрmax .
Максимальная сила трения
пропорциональна коэффициенту трения и силе нормального
давления Fтрmax fN .
3. Коэффициент трения есть величина постоянная для данного
вида и состояния соприкасающихся поверхностей (f = const).
4. Сила трения в широких пределах не зависит от площади
соприкасающихся поверхностей.
5
■ Способы определения коэффициента трения.
1. Сдвигающая сила изменяется от нуля до своего максимального
значения – 0 ≤ T ≤ Tmax, (0 ≤ P ≤ Pmax).
2. Сила нормального давления изменяется от некоторого
начального значения до минимального
3. Сдвигающая
значения – N0 ≥ N ≥ Nmin (G0 ≥ G ≥ Gmin).
сила и сила
нормального
давления
изменяются
при изменении
угла наклона
плоскости
скольжения от
нуля до
максимального
значения –
0 ≥ φ ≥ φmax .
6
■ Угол трения. С учетом силы трения, возникающей при контакте с шероховатой поверхностью полная реакция такой поверхности может рассматриваться как геометрическая сумма нормальной реакции абсолютно гладкой поверхности и силы трения:
Угол отклонения полной реакции шероховатой
R max N Fтрmax
поверхности – угол трения, равный:
Fтрmax
arctg ( f )
При изменении направления
arctg
N
сдвигающей силы T на
опорной поверхности ее Активные силы (G, T и др. ) можно
поворотом относительно заменить равнодействующей силой P,
имеющей угол отклонения от вертикали
нормали к плоскости
α. Можно показать, что равновесие
полная максимальная
возможно лишь в том случае, когда
реакция шероховатой
эта сила остается внутри простраповерхности
описывает конус трения. нства конуса трения:
Условие равновесия по оси x: Psinα ≤
Fтрmax.
Из уравнения равновесия по оси у: N =
Pcosα. Максимальная сила трения Fтрmax
= fN = tgφN = tgφPcosα.
Тогда Psinα ≤ tgφPcosα, откуда tgα ≤ tgφ
и α ≤ φ.
7
■ Учет сил трения при решении задач на равновесие. При
наличии сил трения:
1. К действующим на объект активным силам и реакциям
абсолютно гладких поверхностей добавляются
соответствующие силы трения, направленные по общей
касательной к контактным поверхностям в сторону,
противоположную возможному смещению точки касания
объекта относительно опорной шероховатой плоскости.
2. К уравнениям равновесия, составленным для объекта,
добавляются выражения для максимальных сил трения в
количестве, равном числу сил трения.
8
■ Пример решения задачи на равновесие с учетом трения.
Человек весом G собирается установить легкую лестницу под
углом α к вертикали (стене) и взобраться на половину длины
лестницы для выполнения работы. Коэффициенты трения в точках
контакта лестницы с полом (A) и со стеной (B) равны fA и fB
соответственно. Определить предельное значение угла наклона,
при котором лестница с человеком может сохранять равновесие.
Весом лестницы пренебречь.
1. Выбираем на объект (человек и лестница), отбрасываем связи
и заменяем их действие реакциями гладкой поверхности.
2. Добавляем активные силы (силу тяжести G).
3. Добавляем силы трения, направленные в сторону,
противоположную возможному перемещению
контактных точек A и B лестницы под действием
приложенной активной силы.
9
4. Составляем X i 0;
уравнения
Yi 0;
равновесия:
N B FтрA 0;
FтрB G N A 0;
M iA 0; G
AB
sin FтрB AB sin N B AB cos 0.
2
5. Добавляем
FтрA f A N A ;
выражения
для сил трения: F B f N ;
тр
B B
7. Решение первых
двух уравнений дает
выражения
для
нормальных реакций:
6. Подстановка последних
выражений
в
уравнения
равновесия с простыми
преобразованиями
третьего
уравнения дает :
N B f A N A 0;
X i 0;
Yi 0; f B N B G N A 0;
1
2
M iA 0; G tg f B N B tg N B 0.
8. Подстановка выражений для
G
NA
; нормальных реакций в третье
1 f A fB
уравнение равновесия приводит к
f AG
NB
. возможности определения tg 2 f A
1 f A f B предельного угла наклона α:
1 f A f B
10
■ Определение области Для этого достаточно по
заданным коэффициентам трения
равновесия. Задача
решена для конкретного определить углы трения,
положения человека, угол определяющие предельные
положения полной реакции и
наклона соответствует
предельному равновесию построить конусы трения. Общая
область конусов дает область
(использованы
максимальные значения равновесных положений
сил трения). С помощью человека. Хорошо видно, что для
более высокого положения
понятия конуса трения,
образовываемого полной человека надо уменьшать угол
наклона.
реакцией шероховатой
поверхности и теоремы о
трех силах можно
определить область
возможных равновесных
положений человека на
лестнице.
11
■ Сопротивление при качении. При действии сдвигающей
силы, приложенной к катку, покоящемуся на шероховатой
поверхности, возникает сила, противодействующая возможному
смещению тела (сила трения сцепления) из равновесного
положения или его действительному перемещению (сила трения
скольжения) при его движении и пара сил, момент которой
препятствует повороту катка (момент сопротивления качению).
Возникновение пары сил, препятствующей качению, связана с
деформацией опорной плоскости, в результате которой
равнодействующая нормальных реактивных сил по площадке
контакта смещена от линии действия силы тяжести в сторону
возможного или действительного движения.
12
Основные законы трения качения:
1. Момент сопротивления качению всегда направлен в сторону
противоположную, тому направлению, в котором приложенные к
телу силы стремятся его повернуть, или действительному
повороту под действием этих сил (реактивный характер).
2. Момент сопротивления качению изменяется от нуля до своего
максимального значения
.
Максимальный момент сопротивления качению пропорционален
коэффициенту трения качения и силе нормального давления:
.
3. Коэффициент трения качения есть величина постоянная для
данного вида и состояния соприкасающихся поверхностей
(fк = const).
4. Момент сопротивления качению в широких пределах не зависит
от радиуса катка.
13
Если коэффициент трения скольжения является безразмерной
величиной, то коэффициент трения качения измеряется
единицами длины и равен по величине указанному смещению
равнодействующей нормального давления. В силу малости
деформаций коэффициент трения качения имеет очень
малую величину и составляет, например, 0. 0005
для стального бандажа по стальному рельсу.
14
Трение принимает участие там, где мы о нем
даже и не подозреваем
Когда шьем
Без трения все
нитки
выскользали бы
из ткани
Когда
завязываем пояс
Когда ходим
Без трения нельзя бы
Без трения все узлы
было ступить и шагу,
бы развязались
да и ,вообще, стоять.
15
Когда едем
Без трения колеса бы
просто прокручивались
Когда что-либо ставим или
берем в руки
Без трения все бы
соскальзывало со стола и
выскальзывало из рук
16
Трение в жизни растений
Лианы
Вьюны
Хмель
Благодаря трению цепляются за находящиеся поблизости опоры,
Удерживаются на них и тянутся к свету
17
Репейнику трение помогает
распространять семена, имеющие
колючки.
Семена гороха, орехи благодаря
шарообразной форме и малому
трению качения перемещаются
легко сами.
18
Трение в жизни животных
Чтобы увеличить сцепление с грунтом, стволами деревьев, на конечностях
животных имеется целый ряд различных приспособлений: когти, тело
пресмыкающихся покрыто бугорками и чешуйками
19
Fтр скольжения зависит от угла наклона
Угол
наклона
10
20
30
45
Fтр
Скольжения
1H
1,5H
1,8H
2,3H
20
Эксперимент
Зависимость Fтр скольжения от нагрузки
m, гр
160
260
360
F;H
0,5
0,8
1
21
Страница истории
Леонардо да
Винчи
Кулон Шарль
Огюстен де
Эйлер
Леонард
Петров Василий
Владимирович
15. 04.1452-02.05.1519
14.06.1736-23.08.1806
15.04.1707-18.09.1783
19.07.1761-03.08.1834
22
Год
Имя ученого
ЗАВИСИМОСТЬ модуля силы трения скольжения
от площади соприкасающихся тел
от материала
от нагрузки
от
от степени
относительной
шероховатости
скорости
поверхностей
движения
трущихся
поверхностей
Нет
Нет
Да
Нет
Да
1699
Леонардо да
Винчи
Амонтон
Нет
Нет
Да
Да
Нет
1748
Леонард Эйлер
Нет
Нет
Да
Да
Да
1779
Кулон
Да
Да
Да
Да
Да
1883
Н.П.Петров
Нет
Да
Да
Да
Да
1500
23
И думал он:
Отсель грозить мы будем шведу,
Здесь будет город заложен
На зло надменному соседу.
Природой здесь нам суждено
В Европу прорубить окно,
Ногою твердой стать при море.
Сюда по новым им волнам
Все флаги в гости будут к нам
И запируем на просторе.
24
Сравнение сил трения покоя, скольжения, качения и веса
тела для бруска с двумя грузами.
№
P,Н
Fтр.
покоя,Н
Fтр.
скольжения,Н
Fтр.
качения,Н
1.
2.6
0.9
0.8
0.1
25
Зависимость силы трения от площади
соприкосновения трущихся поверхностей.
S (см2)
20
28
FTp(H)
0,35
0,35
26
Зависимость силы трения от вида трущихся
поверхностей.
Вид поверхностей
Fтр;Н
Дерево по дереву
0.8
Дерево по картону
0.9
Дерево по резиновому коврику
1.5
Дерево по наждачной бумаге
1.8
Дерево по стеклу
0.7
27

28. Силы трения

Есть две силы химическая и относительно
дально-действующая Ван дер Ваальса
Отталкива
ние ~10-6
Притяжение
начинается в
контактном
режиме
N
Fтр
N=mg Рис. 13
Существует сухое и жидкое трение. Законы
трения установлены Леонардом да Винче
около 5 веков назад. Сила F уравновешивается
равной ей по величине и противоположно
направленной силой, которая и есть сила трения
покоя Fтр. Сил трения покоя для данных
поверхностей много, но макс. сила только одна
Fтр. max= Fтр. cк. и именно через нее и определяется
безразмерным коэфф. пропорциональности
называемым коэфф. трения скольжения μ. Закон
Amontons’ (1699 ): модуль вектора Fтр.ск. линейно
пропорционален нагрузке (или реакции опоры
N )и практически не зависит от модуля скорости
тела но направлен противоположно скорости.
F
μ
Fтр max
N
Fтр.ск
N
F тр.ск
N
v
v
Точно равно если пренебречь Ван-дер-Ваальсом28

29. Сила трения сухого трения

N
Если горизонтальная поверхность т.е. =0 ? проекция mg
Fтр
на горизонтальную ось x равна 0 и при начале скольжения
max= F-Fтр=F–μmg=0 или для баланса сил и обеспечения
хотя бы нулевого ускорения (не нулевой начальной
скорости) a=(F/m- μ g) =0 или F/m=μg или F= μmg.
N=mgРис. 13
Сила F линейна пропорциональна массе тела. Сила с
x
которой надо тянуть на санях одного и двух студентов
отличаются в два раза. А для троих надо тройку
запрягать!
Но из опыта: сила трения не зависит от площади соприкосновения. Посмотрим на
F
трибометр. Почему? Fтр определяется химией поверхностей и силой которая их
сдавливает. Чем меньше площадь при той же величине силы сдавливания, тем больше
давление на 1 мм кв. и больше атомов входят в химическое взаимодействие. Трибометр
с двумя брусками. Сила возрасла в 2 раза! Противоречие? Т.е. для начала движения
надо чтобы mgsin — μmgcos =mg(sin — μcos )=0 или μ =tg ! Т.е. угол наклона доски в
момент сползания бруска определяется только величиной μ, а не m. А почему нет
зависимости от скорости? Так как короткодейтвие (химия) . Сила действует только
на маленьком расстоянии. Т.е. факт химическая молекула создана! При малых
скоростях с какой скоростью она создавалась не важно. Важно, что в один и тот же
момент времени есть определенное количество молекул состоящих в химической
связи. Химия в десять раз сильнее Ван-дер-Ваальсовых сил.
29
Силу трения скольжения можно измерить с помощью динамометра.
Для этого надо прикрепить, например, к деревянному бруску динамометр
и равномерно перемещать брусок по доске, располагая прибор
горизонтально.
На брусок в горизонтальном направлении действуют две силы. Одна из
них – сила упругости пружины – действует в направлении скорости бруска.
Другая – сила трения скольжения – направлена против его скорости.
Так как брусок движется равномерно и прямолинейно, то динамометр
показывает силу упругости, равную по модулю силе трения.
30
Если на брусок положить груз и снова перемещать его равномерно
по поверхности доски, то показания динамометра изменятся.
Поместим на брусок ещё один груз, чтобы сильнее прижать брусок к доске.
Тем самым мы увеличиваем силу, действующую перпендикулярно поверхности
соприкосновения бруска с грузами и доски.
Эту силу называют силой нормального давления
31
Если снова измерить силу трения,
то окажется, что она увеличилась.
Опыты показывают: чем больше
сила нормального давления, тем
больше возникающая при этом
сила трения скольжения.
Она увеличивается во столько раз,
во сколько увеличивается сила
нормального давления.
По третьему закону Ньютона
модуль силы нормального
давления равен модулю силы
реакции опоры N.
Тогда можно записать: F = μN,
где (греческая буква, читается «мю») – коэффициент
пропорциональности, называемый коэффициентом трения.
Он характеризует не тело, на которое действует сила трения, а
сразу два тела, трущиеся друг о друга.
Графиком зависимости модуля силы трения от модуля силы
реакции опоры является прямая линия: сила трения скольжения32
1. Введение смазки между трущимися поверхностями
Трение между соприкасающимися
твёрдыми телами (без смазки)
называют сухим трением (рис. а)
Смазка существенно уменьшает силу
трения.
Когда тело движется, соприкасаясь с
жидкой смазкой, то возникает
жидкое трение.
Его часто называют вязким трением
(рис. б).
Коэффициент трения при вязком
трении много меньше
коэффициента трения при сухом
трении.
33

34. 2. Использование шариковых и роликовых подшипников

Для уменьшения трения вращающихся валов машин и станков используют
подшипники, заменяющие трение скольжения трением качения.
(шариковые и роликовые подшипники).
Внутреннее кольцо подшипника, изготовленное из твёрдой стали,
насажено на вал. Наружное кольцо подшипника закреплено в
корпусе машины. При вращении вала внутреннее кольцо начинает
не скользить, а катиться на шариках или роликах, находящихся
между кольцами. Опыт показывает, что силы трения качения
значительно меньше сил трения скольжения ( износ
вращающихся частей машин значительно медленнее).
34
35

«Определение коэффициента трения скольжения». — КиберПедия

Навигация: Главная Случайная страница Обратная связь ТОП Интересно знать Избранные Топ: Определение места расположения распределительного центра: Фирма реализует продукцию на рынках сбыта и имеет постоянных поставщиков в разных регионах. Увеличение объема продаж… Характеристика АТП и сварочно-жестяницкого участка: Транспорт в настоящее время является одной из важнейших отраслей народного хозяйства… Особенности труда и отдыха в условиях низких температур: К работам при низких температурах на открытом воздухе и в не отапливаемых помещениях допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие… Интересное: Лечение прогрессирующих форм рака: Одним из наиболее важных достижений экспериментальной химиотерапии опухолей, начатой в 60-х и реализованной в 70-х годах, является… Мероприятия для защиты от морозного пучения грунтов: Инженерная защита от морозного (криогенного) пучения грунтов необходима для легких малоэтажных зданий и других сооружений… Аура как энергетическое поле: многослойную ауру человека можно представить себе подобным… Дисциплины: Автоматизация Антропология Археология Архитектура Аудит Биология Бухгалтерия Военная наука Генетика География Геология Демография Журналистика Зоология Иностранные языки Информатика Искусство История Кинематография Компьютеризация Кораблестроение Кулинария Культура Лексикология Лингвистика Литература Логика Маркетинг Математика Машиностроение Медицина Менеджмент Металлургия Метрология Механика Музыкология Науковедение Образование Охрана Труда Педагогика Политология Правоотношение Предпринимательство Приборостроение Программирование Производство Промышленность Психология Радиосвязь Религия Риторика Социология Спорт Стандартизация Статистика Строительство Теология Технологии Торговля Транспорт Фармакология Физика Физиология Философия Финансы Химия Хозяйство Черчение Экология Экономика Электроника Энергетика Юриспруденция

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2 Цель работы:Изучить особенности силы трения, вычислить коэффициент трения скольжения. Оборудование, средства измерения: 1)деревянная линейка, 2)брусок 3)динамометр 4)набор грузов   .   Теоретическое обоснование: Сила трения возникает при соприкосновении двух тел вследствие шероховатости поверхностей и взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел (рис.1.2). Сила трения скольжения всегда направлена в сторону, противоположную направлению движения и пропорциональна силе нормального давления тела на опору, равной силе реакции опорыN Коэффициент пропорциональности μ называют коэффициентом трения скольжения. Существуют сила трения покоя, сила трения скольжения, качения, сила жидкого и воздушного трения. Весом тела называют силу, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на опору или подвес. В соответствии с третьим законом Ньютона вес телаP равен по модулю силе реакции опоры и направленной в противоположную сторону: (рис3). Рисунок 1 Рисунок 2 Рисунок 3 При деформации тела возникает сила, которая стремится восстановить прежние размеры и форму тела. Ее называют силой упругости. Простейшим видом деформации является деформация растяжения или сжатия. При малых деформациях сила упругости пропорциональна деформации тела и направлена в сторону, противоположную направлению перемещения частиц тела при деформации: Fупр = –k x. Это соотношение выражает экспериментально установленный закон Гука. Коэффициент k называется жесткостью тела. В системе СИ жесткость измеряется в н/м. Измерить силу трения можно с помощью динамометра, который под действием внешней силы может перемещаться по горизонтально расположенной плоскости(линейке). При равномерном движении согласно первому закону ньютона равнодействующая сил, действующих на тело рано нулю. Это означает, что сила трения скольжения уравновешивает силу упругости пружины динамометра и может быть измерена динамометром. Fтр=Fупр .   Контрольные вопросы: № п/п Содержание вопроса Ответ на вопрос 1. Что называется силой трения?   2. Какова причина возникновения силы трения?   3. Какие существуют виды силы трения?   4. По какой формуле можно рассчитать силу трения скольжения?   5. Запишите формулу для определения коэффициента трения   6. Что называется весом тела?   7. Напишите основную формулу для определения веса тела   8. Почему при измерении силы трения необходимо придерживаться равномерного движения бруска?   9. Приведите примеры практического использования силы трения в технических системах автомобиля.   10. Предложите способы увеличения или уменьшения силы трения скольжения.       Порядок выполнения работы. 1. Подвесьте брусок к динамометру и определите его вес вместе с одним из грузов. Запишите показания динамометра в таблицу 3. Измените вес тела, добавляя грузы (2 и 3 шт.). Для каждого случая измерьте вес тела. Запишите значения веса тел для каждого случая в таблицу 3 (1 и 4 столбец таблицы) 2. Равномерно тяните брусок вдоль плоскости, закрепленной на штативе (линейки). Определите значение силы упругости, действующей на брусок. Запишите показания динамометра в таблицу 3, учитывая, что :Fупр=Fтр. 3.Увеличивайте количество грузов на бруске до 3=х, измерьте силу упругости в каждом случае и занесите показания динамометра в таблицу 3 (столбцы 2и 3). 3.Увеличивайте количество грузов набруске до 3-х, измерьте силу упругости в каждом случае и занесите показания динамометра в таблицу 3 (столбцы 2и 3). 4. Вычислите коэффициент трения по формуле гдеN = P А) Коэффициент трения в первом опыте μ1= = Б) Коэффициент трения во втором опыте μ2= = В) Коэффициент трения в третьем опыте μ3 = = Г) Среднее значение коэффициента трения μ ср = μ1 + μ2+ μ3 = 3 Занесите вычисленные значения коэффициентов трения в таблицу 3 (столбцы 5и 6) 6. Заполните таблицу 3 Таблица 3   Количество грузов на бруске Сила упругости Fупр, Н Сила трения ,Fтр, Н Вес тела Р ,Н Коэффициент трения μ Среднее значение коэффициента тренияμср=μпр 1.           2.           3.             7. Определите абсолютную погрешность прямых измерений силы трения и веса тела с помощью динамометра (таблица1)   ΔА=ΔАи+ΔА0   ___________________________________   8. Определите относительную погрешность измерения коэффициента трения (таблица 2) _____________________   9. Вычислите абсолютную погрешность косвенных измерения коэффициента трения     ∆ μ =∆ А* e ______________________ 10. Запишите окончательный результат в виде:     μ= μпр.+∆ μ _____________________   Вывод: ____________________________________________________________________________________________________________________________________ Дополнительное задание №1. Проведите дополнительные эксперименты, доказывающие, что сила трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей. Составьте план экспериментальных действий и опишите полученные результаты Дополнительное задание№2. Определите коэффициент трения скольжения различных тел (деревянного и металлического брусков) с ⇐ Предыдущая12 Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим. .. Индивидуальные и групповые автопоилки: для животных. Схемы и конструкции… Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого… Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)… 

Как измеряются силы трения? + Пример

Сила трения возникает при скольжении одного не идеально гладкого предмета по другому. Эта сила всегда направлена ​​против движения и при отсутствии других сил замедляет скольжение.

Сила трения зависит, главным образом, от двух факторов: материала, из которого сделаны предметы (более или менее гладкого) и от того, насколько плотно они прижаты друг к другу. Типичная задача из учебника по физике — определить силу трения, когда один объект (скажем, деревянный брусок) скользит горизонтально по некоторой поверхности (например, по столу) и прижимается к этой поверхности своим весом (силой тяжести). Вариантом является аналогичная задача, но поверхность не горизонтальна, а представляет собой наклон под некоторым углом.

В то время как меру того, насколько плотно объекты прижаты друг к другу, легко измерить с помощью силы давления, фактор материала, из которого сделаны объекты, не так легко учесть. Для этого физики используют коэффициент трения , который измеряет силу трения между двумя объектами, сделанными из определенных материалов, на единицу давления. Это определяется опытным путем.

Теперь, зная давление #F_p# из физического состава эксперимента и коэффициент трения #mu_f# задействованных материалов, мы можем рассчитать силу трения #F_f# как их произведение: 92#), который скользит по деревянному столу. Мы можем начать двигать этот блок с некоторой начальной скоростью #V# (#м/сек#), а затем позволить ему двигаться самому, пока трение не остановит его. Например, блок останавливается через время #T# (#sec#) после того, как мы его отпускаем.

Он останавливается, потому что сила трения #F# останавливает его действие против движения, замедляя его со скорости #V# до #0# за время #T#. Теперь мы можем определить степень замедления #a# от начальной скорости до нуля:
#a=V/T#

Теперь, зная замедление и массу бруска, определяем силу трения:
#F=M*a=M*V/T#

Зная массу и площадь основания нашего блока, мы можем определить давление на стол #P# (вес на единицу площади):
#P=(M*g)/S#

Наконец, мы можем определить коэффициент трения (сила трения на единицу давления):
#mu=F/P=(M*V*S)/(T* M*g)=(V*S)/(T*g)#

Кстати, коэффициент трения в этих условиях не зависит от массы бруска. Полученный выше коэффициент трения называется кинетический , так как он был измерен во время движения одного объекта относительно другого.

Другой тип коэффициента трения статический , он измеряет начальную силу трения, когда объект начинает движение и обычно больше, чем кинетический , начать движение сложнее, чем продолжить. Статический коэффициент трения также можно определить экспериментально, но это уже другая история.

Измерение трения | СпрингерЛинк

В принципе, измерение трения включает либо прямое измерение сил, препятствующих относительному движению между двумя или более материальными телами, либо косвенное измерение эффектов этих сил, таких как тормозной момент или ток, потребляемый двигателем, который перемещает поверхности одного тела относительно другого. В трибологии по крайней мере одно тело в трибосистеме является твердым телом, но в более широком смысле сопротивляющееся тело может состоять из газа, взвеси, потока жидкости или другого вещества. Инженерные применения измерения трения в трибологии обычно связаны с относительным движением двух твердых тел, таких как втулка подшипника и соответствующий ей вал или тормозной диск относительно материала футеровки. Трение между частицами или между твердыми телами при наличии толстых пленок жидкости (смазок) находится в центре внимания обширной литературы по смазке (например, см. Режимы смазки).

В 1700-х годах термин «трибометр» был придуман Голдсмитом для обозначения устройства для измерения трения, но в настоящее время объем термина трибометр был расширен, чтобы обозначить инструмент, используемый для измерения трения, износа , или оба. Конструкции устройств для измерения трения скольжения восходят к записным книжкам Леонардо да Винчи (1452–1519). На его эскизах изображены пандусы, скользящие блоки и шкивы. Оборудование, используемое для измерения сил трения или безразмерного коэффициента трения (см. статью о коэффициенте трения), может быть как простым, как рампа с возможностью измерения угла наклона, так и сложным, как пьезоэлектрически управляемый наконечник наноразмерного зонда в климатическая камера с постоянной температурой и виброизоляцией. Блау (2008) описывает как общие, так и специальные трибометры, а стандарт ASTM G 115 описывает методы измерения трения. Алсем и др. (2008) описали измерение трения с помощью микроприводов, сформированных на крошечном кремниевом чипе. В книге под редакцией Gnecco and Meyer (2007) приводятся примеры измерения трения в еще более мелком масштабе.

Некоторые трибометры предназначены для измерения силы, необходимой для начала относительного движения (статическая сила трения), а некоторые предназначены для измерения силы сопротивления объектов, которые уже находятся в движении (кинетическая сила трения). В производстве смазочных материалов важное значение имеет снижение трения за счет добавок к маслам и смазкам, и конструкции трибометров сосредоточены на измерении воздействия межфазной жидкости, сохраняя при этом состав твердых материалов постоянным. Здесь описано несколько распространенных методов измерения трения, и читатель может обратиться как к библиографии, так и к другим статьям этой энциклопедии, посвященным конкретным приложениям, за дополнительными примерами, такими как трение в двигателях, тормозах и обработке металлов давлением. Многие системы измерения трения предназначены для моделирования конкретных приложений, но исследователи разработали трибометры для изоляции и изучения эффектов трения в строго контролируемых лабораторных условиях, которые не моделируют какое-либо конкретное техническое приложение. В результате, спектр конструкций трибометров очень широк – слишком широк, чтобы его можно было привести здесь, за исключением нескольких примеров. Однако сначала обсуждается подготовка поверхностей для измерения трения.

Подготовка поверхностей образцов . Метод, используемый для подготовки поверхностей к испытаниям на трение, может повлиять на воспроизводимость и соответствие результатов целям испытаний (от фундаментальных исследований до конкретных применений). Не существует единого и наилучшего метода подготовки поверхностей к испытаниям на трение. Например, очистка металлических испытуемых поверхностей такими растворителями, как ацетон и этанол, может быть удовлетворительной, но те же самые растворители могут повредить поверхности полимеров. Метод подготовки и очистки поверхности следует выбирать, исходя как из материалов, так и из целей испытаний.

При моделировании конкретного промышленного применения в ходе лабораторных стендовых испытаний может возникнуть необходимость воспроизвести отделку поверхности, укладку (направление отделочных меток) и состояние чистоты поверхностей материала при обычном использовании. Поэтому некоторые поверхности могут быть протестированы как преднамеренно «грязные». Какой бы ни была цель испытаний, документация по измерениям трения должна включать описание способа подготовки и очистки поверхностей (при проведении высокоточных измерений или измерений трения с малым усилием время между очисткой и испытанием может повлиять на результаты испытаний. Адсорбция водяного пара, углеводородов и образование продуктов реакции на поверхностях, находящихся в контакте с окружающей средой, могут влиять, в частности, на трение покоя). Если на контактных поверхностях имеется текстура, то также должно быть указано направление испытаний относительно этой текстуры. Относительная влажность также может играть роль в измерениях трения скольжения, и если она не контролируется напрямую, по крайней мере ее следует измерять и сообщать.

Метод наклонной плоскости (трение покоя). Этот простой метод, проиллюстрированный на рис. 1, восходит к работам Леонардо да Винчи и основан на статическом балансе сил, который требует, чтобы только угол наклона (но не вес блока) был известен в точке момент начала относительного движения. Подготовленный соответствующим образом плоский образец помещают на конец балки, к которой крепится контробразец. Затем балку медленно поднимают вручную или мотором до момента, когда произойдет относительное движение. При этом критическом угле наклона ( θ _х ), коэффициент статического трения (μ _с ) определяется по формуле: 1)

Измерение трения, рис. 1

Испытание на статическое трение в наклонной плоскости, аналогичное показанному на рисунках да Винчи

Изображение в натуральную величину и ДВП, а также для проверки наличия остаточных смазочных материалов на коммерческих светочувствительных пленках. Он также является основой для нескольких стандартов (например, ASTM D3248, ASTM D3334, ASTM G164, ANSI/ISO 5769).).

Метод горизонтальной плоскости. Метод горизонтальных плоскостей, также называемый «испытание саней», использует прямое измерение сил, необходимых для начала движения (сила статического трения) и/или для продолжения относительного движения (сила кинетического трения) между ползунком и плоским образцом, на котором он отдыхает. Нормальная сила может быть приложена внешним силовым приводом, собственным весом, размещенным на ползунке, или просто от массы самого ползуна. Должны быть предусмотрены средства для обеспечения стабильного горизонтального движения, поскольку быстрые ускорения или неравномерное движение могут привести к плохой воспроизводимости или неустойчивым результатам. Обратите внимание, что рекомендуется выровнять ось датчика в плоскости скользящего интерфейса, чтобы избежать пар сил, которые могут повлиять на точность измерения.

Разновидность метода горизонтальной плоскости использует возвратно-поступательное движение для имитации фрикционных характеристик возвратно-поступательных элементов машины, таких как поршневые кольца на гильзах цилиндров и кривошипно-шатунные механизмы. На рис. 2 показано такое расположение. В этом случае особенно важно совмещение плоскости трения с осью датчика. Если это невозможно, следует провести калибровку усилия в обоих направлениях движения.

Измерение трения, рис. 2

Типовое устройство для измерения трения при возвратно-поступательном движении, показывающее линию действия силы трения, коллинеарную оси датчика силы

Полноразмерное изображение

Измерения с использованием роликов или шкивов. Иногда желательно измерить трение волокна или гибкого полотна о сопрягаемый материал. В этом случае можно использовать задрапированные ролики или шкивы. Цилиндрический образец можно фиксировать, когда на него натягивают перемычку, или перемычку можно удерживать в натяжении, когда цилиндрический образец приводится во вращение. На рис. 3 показана основная геометрия этого устройства. Для измерения коэффициента трения (статического или кинетического, в зависимости от требований) можно использовать силы натяжения материала с обеих сторон шкива (T 9{{ — {1}}}}{ \ln }\left( {{{\text{T}}_{{2}}}/{{\text{T}}_{{1}}}} \ справа) $$

(2)

Измерение трения, рис. 3

Схема измерения намотанной пряди, в которой два значения натяжения используются для определения коэффициента трения

Изображение в полный размер

В дополнение к измерению натяжения и угла намотки , также возможно провести инструментирование ролика и измерить его крутящий момент. Тогда, зная радиус ролика ( r ), крутящий момент ( T ) можно преобразовать в силу трения ( F = T / r ) и использовать для измерения либо трения скольжения, либо коэффициента статического трения, когда вращение только начинается.

Измерения трения по данным о крутящем моменте . Обычно представляет интерес оценка трения механических узлов по данным о крутящем моменте. Примеры включают механические торцевые уплотнения, болты с резьбой, тормозные колодки на роторах и вращающиеся валы. При определении коэффициента трения по измеренным крутящим моментам для таких ситуаций, как вал во втулке известного диаметра, погрешности измерения меньше, чем если бы источник крутящего момента занимал диапазон радиальных расстояний от центра вращения, как в тормозные колодки, лицевые уплотнения или сцепления. Две такие ситуации сравниваются на рис. 4а и б. На рис. 4а сила трения ( F ), создающий крутящий момент ( T ), действует на фиксированном радиусе от центра вращения, таким образом,

$$ T = F \cdot r $$

(3)

и коэффициент трения (μ ), по измеренному крутящему моменту, составляет

$$ \mu = T/\left( {r \cdot P} \right) $$

(4)

где P — нормальная сила на блокировать. Однако на рис. 4b сила трения действует в диапазоне радиальных расстояний. Для удобства крутящий момент, возникающий от крутящего момента с диапазоном радиальных длин, иногда рассматривается так, как если бы он создавался при среднем радиусе контакта ( р _эфф ). То есть

$$ T = F \cdot {r_{\text{eff}}} $$

(5)

и аналогично

$$ \mu = T/\left( {{r_{ \text{eff}}} \cdot P} \right) $$

(6)

Однако более строгие подходы интегрируют силу трения как функцию радиального расстояния. Поскольку скорость поверхности скольжения вращающегося диска пропорциональна расстоянию от центра, фрикционный нагрев может быть больше снаружи контакта, чем на внутреннем радиусе, и если трение чувствительно к температуре в диапазоне скоростей, оно не может Предположим, что сила трения не зависит от радиального расстояния от центра.

Измерение трения, рис. 4

Крутящий момент представляет собой произведение силы трения на радиус от центра вращения. В ( a ) радиальное расстояние постоянно, но в ( b ) силы генерируются в диапазоне радиусов

Изображение в натуральную величину

Трение при обкатке ( обкатка ). Машины и недавно установленные твердые контакты часто испытывают тип переходного явления, которое по-разному называют приработкой, приработкой или приработкой. Трение и износ в течение этого периода различаются по величине из-за физических изменений поверхностей и/или смазочных материалов между ними. Вопреки убеждению, что начальное трение (статическое трение) всегда выше, чем кинетическое трение, на самом деле коэффициенты трения могут начинаться с более высоких или более низких значений, чем наблюдаемые, когда система работает в установившемся режиме. В некоторых случаях начальные переходные процессы в фрикционном поведении очень хорошо воспроизводятся в повторных испытаниях. Это говорит о том, что новые поверхности в этой трибосистеме проходят ту же серию стадий по мере достижения конформности и стремятся к более ровному стационарному состоянию. Иногда коэффициент трения не достигает стационарного состояния даже после значительного периода эксплуатации, и трибосистема считается фрикционно неустойчивой. Изучая изменения трения со временем во время приработки, можно получить основные сведения об изменениях шероховатости, текстуры, химического состава поверхности и подповерхностной структуры скользящих материалов.

Повторная обкатка может произойти при замене одной или обеих сторон трибопары новым материалом или при изменении нагрузки или скорости во время работы. Например, к фрикционным тормозам транспортных средств при нормальной работе применяются самые разные усилия и скорости движения. Поэтому они находятся в почти постоянном состоянии повторного взлома. Задача производителей тормозов состоит в том, чтобы обеспечить плавную фрикционную реакцию во время таких переходных процессов. Это включает в себя сочетание выбора материала и управления обратной связью.

Трение при царапании . Некоторые исследователи сообщают о «коэффициенте трения» при царапании острым зондом или иглой поверхности. В то время как можно измерить приложенную нормальную силу и тангенциальную силу, которая сопротивляется относительному движению, этот вид процедуры представляет собой особый случай, в котором наблюдается сильный эффект от вдавливания твердой точки через поверхность. Чем глубже проникновение (в более мягкие материалы или при более высоких нагрузках) или чем острее наконечник (при условии, что наконечник не ломается), тем выше сила трения. Результаты этих видов испытаний на трение при вспашке нельзя напрямую сравнивать с испытаниями на трение скольжения, включающими более макроконтактные условия, такие как конфигурации «плоская поверхность». В испытаниях на царапание игла обычно имеет алмазный наконечник, но поскольку царапание может включать в себя значительное усилие вспашки, коэффициенты трения, полученные в результате таких испытаний, в целом не равны трению для того же материала образца, если бы он скользил по алмазу в форме. поверхности скола или покрытия на плоской подложке. В ASTM G171, стандарте испытаний на твердость при царапании, отношение тангенциальной силы к нормальной силе определяется как «коэффициент сопротивления иглы», чтобы избежать этой двусмысленности.

Методы измерения нанотрения . Зонды нанометрового размера использовались для измерения тангенциальных сил, противодействующих относительному движению между двумя твердыми телами, такими как атомарно острая точка и атомарно гладкая плоскость. Является ли это на самом деле «трением» в общепринятом смысле, является предметом философских споров; однако отношение тангенциальной силы к силе, перпендикулярной направлению относительного движения, часто называют коэффициентом трения. В книге под редакцией Gnecco и Meyer (2007) перечислены несколько таких методов, а в специальном выпуске 9В бюллетене 0048 Materials Research Society Bulletin описаны мелкомасштабные методы изучения контактов в масштабах, близких к атомным.

Стандартизированные методы испытаний . Широкое распространение проблем трения при эксплуатации оборудования и в исследованиях привело к разработке многочисленных стандартов. Такие стандарты могут информировать пользователя о влиянии переменных, методах калибровки оборудования, воспроизводимости от теста к тесту, методах подготовки и очистки образцов, а также о том, как интерпретировать и сообщать данные о трении. Количество доступных стандартных методов испытаний на трение меняется из года в год по мере изменения потребностей промышленности и исследований. Постоянно создаются новые стандарты трения, в то время как другие модифицируются, заменяются или отменяются. Книги Будински (2007 г.) и Блау (2008 г.) содержат списки стандартов испытаний на трение, как и Международный справочник ASM (19).92). При использовании формальных стандартов важно использовать самую последнюю версию, поскольку более ранние версии могут содержать информацию, которая была пересмотрена или исправлена ​​по сравнению с предыдущими версиями.