Что такое трение? Тянем-потянем, вытянуть не можем…

Картинка deti-skazki.ru

Все мы ежедневно сталкиваемся с таким интересным явлением, как трение, однако мало кто задумывается, а что оно собой представляет?

В современной науке более проработан вопрос внутреннего трения, возникающего в структуре жидкостей и газов, чем вопрос внешнего трения, возникающего при контакте твёрдых тел — и даже инженеры, по роду своей деятельности связанные с ним, в меньшей степени имеют представление обо всех аспектах внешнего трения…

Суть этой проблемы заключается в сложности изучения явлений, связанных с трением, так как несмотря на его условно простое внешнее механическое проявление (если мы говорим о внешнем трении), в своей основе оно содержит сложные молекулярные взаимодействия, сосредоточенные в весьма тонком поверхностном слое и зависящие как от состава, так и от строения этого слоя.

Поэтому внешнее трение является одним из самых поверхностных и имеет минимальный радиус действия, благодаря чему оно весьма чувствительно к состоянию поверхности, где коэффициент трения легко может изменяться во много раз, в зависимости от изменения минимальных факторов.

▍ Введение

Если исходить из закона инерции Ньютона, то любое тело будет сохранять своё состояние покоя или прямолинейного и равномерного движения до тех пор, пока какая-либо сила его не выведет из этого состояния. То есть получается, что если мы толкнём какой-либо предмет, то он должен продолжать это движение вечно, с равномерной скоростью, до тех пор, пока на него не будет оказано воздействие ещё какой-либо силой.

Тем не менее, это является достаточно спорным, так как противоречит обычным наблюдениям из жизни: скажем, если мы толкнём кирпич, лежащий на горизонтальной поверхности, то он достаточно быстро прекратит своё движение. Из этого следует, что если мы хотим, чтобы тело постоянно продолжало движение в условиях трения, то к нему нужно постоянно прилагать некоторую силу (кстати говоря, об этом ещё говорил Аристотель в своё время).

Если мы внимательно присмотримся к процессу потери скорости движущимся предметом, то обнаружим, что такая потеря происходит не мгновенно, а занимает некоторое время и зависит не только от формы, скорости, типа самого движущегося тела, но и от той среды, с которой оно соприкасается, в процессе движения.

При этом чем более гладкой (до определённых пределов) является поверхность, тем медленнее будет замедляться тело при движении в контакте с ней. Если же тело движется не по поверхности, а просто в воздушном пространстве (назовём её некой газовой средой) при откачке газовой среды, то есть если мы добьёмся движения тела в вакууме, то и замедление будет ещё менее существенным (в теории бесконечным, если тело движется в условиях космического пространства).

Таким образом, мы видим, что основной причиной замедления тела является процесс взаимодействия с окружающей средой.

В обратном случае, эта же сила взаимодействия с окружающей средой способна поддерживать движение тела, если сама среда движется с той же скоростью. Здесь примером может быть смерч или ураган, увлекающий за собой крупные предметы, части домов и даже целые дома.

Процесс трения сопутствует любому перемещению тел, при этом если в процессе перемещения эти тела соприкасаются внешними поверхностями, то такое трение называется внешним, так как не зависит от внутреннего состояния этих тел.

Если же в процессе перемещения явление трения сопутствует и противодействует движению частей одного и того же тела, то такое трение называют внутренним (как уже выше говорилось, к подобному трению относится внутреннее взаимодействие в рамках жидких и газообразных сред).

Если говорить об основных различиях типов трения в жидкости и газах (т. е. внутреннее трение) и между твёрдыми телами (внешнее трение), то в первом случае благодаря ему наблюдается непрерывный градиент изменения скорости от слоя к слою, без резких его скачков, в то время как между соприкасающимися твёрдыми телами наблюдается резкий скачок скорости.

▍ Внешнее трение

Тем не менее, несмотря на описанные выше различия между внутренними и внешним трением, на практике зачастую мы имеем дело с внутренним трением, то есть с трением между слоями, так как между трущимися твёрдыми телами всегда стараются организовать промежуточную смазку:

Картинка: Б. В. Деревягин – «Что такое трение?»

Если мы посмотрим на картинку выше, то увидим, что на ней изображены две параллельные пластинки, из которых верхняя движется относительно нижней, при этом между ними расположен некий слой смазки. При начале движения верхней пластинки её движение передастся также и нижележащим слоям смазки, при этом, как можно видеть по треугольнику, передавшееся движение будет тем меньше, чем дальше расположен слой от движущейся пластинки. То есть получается, что слои жидкости, непосредственно соприкасающиеся с движущейся пластинкой, приобретают некоторую скорость, и пластинка скользит по жидкости не так, как могло бы скользить твёрдое тело по другому твёрдому телу, то есть, другими словами, уменьшается трение.

Такое увлечение слоёв смазки за движущимся объектом имеет интересное следствие, называемое «клиновидным действием смазки».

Суть этого явления заключается в том, что если существует некоторая цилиндрическая камера, заполненная смазкой, внутри которой вращается вал, расположенный несоосно этой камере, то вращение вала будет увлекать за собой слои смазки и увеличивать давление в той области, где расстояние между валом и стенкой камеры минимально. В то же время в той области, которая расположена на картинке левее, будет возникать область разряжения, так как туда будет выбрасываться смазка. Результатом этого станет то, что на вращающийся вал будут воздействовать силы, одна из которых будет направлена к центру вала, а другая — от центра вала.

Воздействие этих сил будет приводить к тому, что вал будет смещаться в ту зону, где воздействие этих сил уравновесится — в центре цилиндрической камеры.

Чем более вязкой является смазка, тем более ярко выражен эффект грузоподъёмности смазки и её клиновидного действия.

Однако это не всегда хорошо, так как в некоторых случаях, например, для уменьшения трения в центрифугах, вращающихся с числом оборотов, превышающих десятки тысяч в минуту, использование жидкой смазки является негативным и даже невозможным явлением, так как её высокая вязкость начинает играть в обратную сторону и сопротивляться вращению, результатом чего становится повышенное тепловыделение и износ.

И в таких случаях используют так называемую воздушную смазку, несмотря на то, что её вязкость в десятки тысяч раз меньше вязкости обычных жидких масел.

Но, тем не менее, такой подход вполне применим при больших скоростях вращения и малых нагрузках.

При этом нагруженные части конструкции выполняют в виде аэродинамических профилей, образующих зоны сужения и расширения зазора в нагруженной части, что приводит во время вращения к засосу воздуха из зон расширения в зоны сужения и созданию там повышенного давления, которое и отжимает в какой-то момент одну деталь от другой, и детали начинают вращаться без непосредственного контакта друг с другом.

▍ Закон Амонтона

Возвращаясь к трению твёрдых тел друг о друга, можно отметить, что в некоторых случаях масса тела может быть достаточно мала, и в то же время сила трения весьма велика — именно это, к примеру, и не даёт возможности вытащить застрявший топор из полена. В таких случаях помогает воздействие кратких смещающих усилий. В случае топора — лёгкие постукивания по нему помогают вытащить его из полена.

Почему так получается? Всё это легко следует из формулы закона Амонтона, установленного ещё в 1699 году:

F = µN

Где:

• F — статическое трение покоя;
• N — сила давления между телами;
• µ — коэффициент трения (его ещё называют коэффициентом пропорциональности).

Исходя из этого закона, можно сказать, что любое тело, находящееся в состоянии покоя, оказывает некоторое давление (вектор силы направлен вниз) на другое тело, на котором оно находится (рассматривается случай, когда тела лежат друг на друге). И преодолеть эту силу давления можно только в том случае, если на тело оказывается воздействие другой силы, которая больше, чем статическое трение покоя, и направлена параллельно поверхности тел и перпендикулярно силе, направленной вниз.

Таким образом, кратко нанося удары по застрявшему топору, мы заставляем его выйти из состояния покоя воздействием весьма существенной и кратковременной силы, которая превышает его статическое трение покоя об полено.

При этом воздействующие удары могут быть направлены как параллельно тянущей силе (пытаемся вытянуть топор наружу, параллельно постукивая по нему), так и противоположными направлению силы тяжести и трению (например, если это кирпич, лежащий на поверхности, мы его как бы подбрасываем маленькими лёгкими ударами снизу).

Этот же закон объясняет, почему, например, тело начинает ползать по мелковибрирующей наклонной поверхности, даже если амплитуда этих колебаний весьма мала — просто эти усилия как бы выравнивают и компенсируют статическое трение покоя.

Уничтожение силы трения с помощью вибраций — достаточно распространённый приём в технике, так как под его воздействием кардинально меняется поведение систем: песка, муки, сахара и других, представляющих собой мелкие частицы во взаимном контакте. Например, куча песка, находящаяся на вибрирующей платформе, ползёт по ней, приобретая свойства жидкости.

Или, скажем, если металлический шарик бросить в стакан с любым порошком, он останется лежать на поверхности. В то же время, стоит нам только поставить этот стакан на вибрирующую платформу, как порошок приобретёт как бы текучесть, и шарик в ней моментально утонет!

Подобный приём широко используется и в строительстве, где с помощью вибраций добиваются уплотнения сыпучих материалов в различных ёмкостях и при финальной заливке/укладке.

▍ Мономолекулярные слои в качестве смазки

Было замечено, что если рядом с металлическими поверхностями расположить на некоторое время легколетучее органическое вещество, например, уксусную кислоту, то через некоторое время коэффициент трения этих металлических поверхностей начнёт быстро уменьшаться и составит порядка 0,2 (при изначальных 0,7-0,8).

Объясняется это тем, что жирная кислота, испаряясь, диффундирует с металлом, попадая в зону молекулярного притяжения металлических поверхностей. Результатом этого становится тончайшее покрытие поверхностей молекулами жирной кислоты, при этом слой этот редко превышает толщину в одну молекулу (порядка двух миллионных долей миллиметра) и коэффициент трения подобных поверхностей падает в несколько раз. Ещё одним интересным следствием такого покрытия поверхности является то, что коэффициент трения поверхностей (если две металлические поверхности положены друг на друга) не увеличивается со временем, так как этот жирный слой мешает диффузии атомов металла одной поверхности в другую.

При этом нанесение такого мономолекулярного слоя может происходить не только осаждением паров жирной кислоты, но и непосредственным натиранием поверхности, после чего поверхность тщательно очищается, тем не менее, она сохраняет на себе слой (даже после тщательной очистки) как минимум в одну молекулу, который удерживается за счёт молекулярных сил взаимодействия.

Причём это падение силы трения может быть даже ещё более существенным, например, при покрытии металла осаждёнными на него парами стеариновой кислоты, слоем в одну молекулу толщиной, после чего коэффициент трения может падать до 0,1, а при покрытии жирными кислотами с ещё большим молекулярным весом — до ещё более значительно меньшей величины.

Такое поразительное влияние на силу трения показывает, что трение как явление нельзя объяснить «микрозацеплением шероховатостей», как принято было считать у некоторых учёных ранее.

Так как было выявлено, что даже если рассматривать полированные металлические поверхности, из-за самого несовершенства процесса полировки реально достижимая высота микрошероховатостей будет составлять порядка нескольких стотысячных долей миллиметра, в то время как толщина мономолекулярного слоя будет в десятки раз меньше этих выступов. Таким образом, получается, что этот молекулярный слой никоим образом не должен уменьшать коэффициент трения, но, тем не менее, он его уменьшает!

Причём учёными были проведены эксперименты с предположением: а что если увеличить толщину этого мономолекулярного слоя и превратить его в многослойную плёнку для ещё большего уменьшения коэффициента трения? После проведения экспериментов (гуглить «методы построения мультимолекулярных плёнок» И. Ленгмюра, К. Блоджет, В. П. Лазарева), было выявлено, что даже если количество мономолекулярных слоёв, уложенных один поверх другого, достигает 1000 с суммарной толщиной порядка 2 мкм, то коэффициент трения совершенно не меняется и остаётся абсолютно одинаковым что для одного слоя, что для тысячи!

Хотя, теоретически, если бы «микрозацепления шероховатостей» поверхностей играли бы роль, то с увеличением толщины смазочной плёнки по идее коэффициент трения тоже должен был бы падать, но было выявлено, что это не так: первичное появление монослоя на поверхности вызывает резкое падение коэффициента трения, в то время как дальнейшее утолщение этого слоя никакого воздействия на коэффициент трения больше не оказывает.

Обычная житейская логика подсказывает, что если бы поверхность была всё более и более гладкой, то коэффициент её трения по идее также стремился бы к нулю. Однако это не так, и даже более: было выявлено, что чем идеальнее отполирована поверхность, тем больше возрастает её коэффициент трения (начинается слипание отполированных поверхностей, что хорошо известно на примере опыта с отполированными и прижатыми друг к другу кусками металла).

В качестве подобной поверхности можно привести пример любой жидкости без волнения. Например, учёные проводили опыт с замороженной ртутью, которая будучи в таком состоянии сохраняла гладкость поверхности, сравнимую с её жидкой формой. По идее такая поверхность должна быть идеально скользкой? А вот и нет: её коэффициент трения весьма велик и составляет порядка единицы даже несмотря на то, что при экспериментах площадь контакта с ней менялась от большой до весьма малой!

На первый взгляд кажется, что мы зашли в какой-то тупик: микрошероховатость роли не играет, количество смазки роли не играет, гладкость поверхности роли не играет…

И тут нам на помощь приходит наука и даёт свой ответ: согласно научным представлениям, явление трения нельзя объяснить только качеством обработки поверхности. Оно проистекает из атомно-молекулярной структуры самой материи — вернее будет сказать, что это та же самая шероховатость, но на совершенно ином уровне: скольжение тел друг по другу представляет собой, по сути, скольжение «наборов плотно упакованных шариков» (если сказать сильно грубо, для простоты понимания процесса), где от размеров этих шариков, расстояний между ними, а соответственно, и размеров впадин между ними зависит и сила трения:

Таким образом, скольжение тел друг по другу представляет собой по сути подъём наборов шариков на вершины друг друга с последующим падением во впадины между ними, а траектория движения представляет собой синусоиду (как показано на картинке выше).

Подобное строение вещества на молекулярно-атомном уровне является его неотъемлемой характеристикой и не устраняется какой-либо полировкой: даже практически идеально отполированные поверхности обладают подобной шероховатостью. Кроме того, на трение влияет и величина сил отталкивания и притягивания между структурами трущихся поверхностей.

Завершая рассказ, можно сказать, что трение является весьма интересным явлением, изучение которого неизбежно приводит нас к потребности исследования самого устройства материи, глубокое понимание законов строения и функционирования которой может помочь и в соответствующем изменении коэффициента трения по запросу в зависимости от потребностей (увеличение/уменьшение коэффициента трения), что является весьма важным как для текущего уровня, так и для будущих достижений науки и техники.

Для статьи в том числе использованы материалы книги Б. В. Деревягина «Что такое трение?».

Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх