Полезное трение и способы его увеличения

Вы никогда не задумывались, почему ваши руки становятся теплыми, когда вы трете их друг о друга, или почему трением двух деревяшек можно добыть огонь? Ответ – трение! Когда два тела перемещаются относительно друг друга, появляется сила трения, препятствующая такому перемещению. Трение может вызвать высвобождение энергии в виде тепла, согревая руки, высекая огонь и так далее.[1] Чем больше трение, тем больше энергии высвобождается, поэтому, увеличив трение между движущимися частями в механической системе, вы получите немало тепла!

Поверхности трущихся тел

1
Когда два тела перемещаются относительно друг друга, могут возникнуть следующие три процесса: неровности на поверхности тел мешают движению тел относительно друг друга; одна или обе поверхности тел могут деформироваться в результате такого перемещения; атомы каждой поверхности могут взаимодействовать друг с другом.[2] Все перечисленные процессы участвуют в возникновении трения. Поэтому для увеличения трения выберите тела с абразивной поверхностью (например, наждачная бумага), с деформируемой поверхностью (например, резиновой) или с поверхностью, имеющей адгезивные свойства (например, липкую).
- Для получения большей информации о выборе материалов для увеличения трения посмотрите учебники или онлайн ресурсы. Для распространенных материалов можно найти их коэффициенты трения (количественная характеристика силы, необходимой для скольжения или движения одного материала по поверхности другого). Коэффициенты трения некоторых материалов перечислены ниже (чем выше коэффициент, тем больше трение):[3]
- Алюминий по алюминию: 0,34
- Дерево по дереву: 0,129
- Сухой бетон по резине: 0,6-0,85
- Влажный бетон на резине: 0,45-0,75
- Лед по льду: 0,01
2
Сильнее прижмите тела друг к другу, чтобы увеличить трение, так как сила трения пропорциональна силе, действующей на трущееся тела (силе, направленной перпендикулярно направлению перемещения тел относительно друг друга).[4]
- Вспомните дисковые тормоза в автомобиле. Чем сильнее вы давите на педаль тормоза, тем сильнее тормозные колодки прижимаются к ободу колеса, тем сильнее становится трение и тем быстрее автомобиль останавливается. Но чем сильнее трение, тем больше высвобождаемого тепла, поэтому при резком торможении тормозные колодки сильно нагреваются.[5]
3
Если одно тело находится в движении, остановите его. До сих пор мы рассматривали трение скольжения, возникающее при перемещении тел относительно друг друга. Трение скольжения намного меньше трения покоя, то есть силы, которую необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение. Поэтому труднее сдвинуть с места тяжелый предмет, чем управлять им, когда он уже движется.[6]
- Проведите простой эксперимент, чтобы понять разницу между трением скольжения и трением покоя. Поставьте стул на гладкий пол (не на ковер). Убедитесь, что на ножках стула нет резиновых или других накладок, препятствующих его скольжению. Толкните стул, чтобы передвинуть его. Вы заметите, что как только стул пришел в движение, вам стало легче толкать его, потому что трение скольжения между стулом и полом меньше трения покоя.
4
Избавьтесь от смазки между двумя поверхностями, чтобы увеличить трение. Смазочные материалы (масла, вазелин и так далее) значительно уменьшают силу трения между трущимися телами, потому что коэффициент трения между твердыми телами значительно выше коэффициента трения между твердым телом и жидкостью.
- Проведите простой эксперимент. Потрите сухие руки друг о друга, и вы заметите, что их температура повысилась (они согрелись). Теперь намочите руки и потрите их еще раз. Теперь вам не только легче тереть руки друг о друга, но и нагреваются они меньше (или медленнее).
5
Избавьтесь от подшипников, колес и других катящихся тел, чтобы избавиться от трения качения и получить трение скольжения, которое намного больше первого (поэтому катить одно тело относительно другого проще, чем толкать/тянуть его).[7]
- Например, представьте, что вы положили тела одинаковой массы в сани и на колесную тележку. Тележку с колесами намного легче передвигать (трение качения), чем сани (трение скольжения).
6
Увеличьте вязкость жидкости, чтобы увеличить силу трения. Трение имеет место не только при перемещении твердых тел, но и в жидкостях и газах (вода и воздух, соответственно). Трение между жидкостью и твердым телом зависит от нескольких факторов, например, вязкости жидкости – чем больше вязкость жидкости, тем больше сила трения.
- Например, представьте, что вы пьете воду и мед через соломинку. Вода, имеющая малую вязкость, легко пройдет сквозь соломинку, а вот мед, у которого большая вязкость, пройдет сквозь соломинку с трудом (так как мед сильнее трется о стенки соломинки).[8]

Лобовое сопротивление

1
Увеличьте площадь поверхности тела. Как отмечалось выше, при движении твердых тел в жидкостях и газах также возникает сила трения. Сила, препятствующая движению тел в жидкостях и газах, называется лобовым сопротивлением (иногда его называют сопротивлением воздуха или сопротивлением воды). Лобовое сопротивление больше при увеличении площади поверхности тела, которая направлена перпендикулярно направлению движения тела сквозь жидкость или газ.
- Например, возьмите дробинку массой 1 г и лист бумаги той же массы и одновременно отпустите их. Дробинка сразу же упадет на пол, а лист бумаги будет медленно опускаться вниз. Тут как раз виден принцип лобового сопротивления – площадь поверхности бумаги намного больше, чем у дробинки, поэтому сопротивление воздуха больше и бумага падает на пол медленнее.
2
Используйте форму тела с большим коэффициентом лобового сопротивления. По площади поверхности тела, направленной перпендикулярно движению, можно судить о лобовом сопротивлении только в общих чертах. Тела различной формы взаимодействуют с жидкостями и газами по-разному (при движении тел сквозь газ или жидкость). Например, круглая плоская пластина имеет большее лобовое сопротивление, чем круглая шарообразная пластина.[9] Величина, характеризующая лобовое сопротивление тел различной формы, называется коэффициентом лобового сопротивления.
- Для примера рассмотрим крыло самолета. Форма крыла самолета называется аэродинамическим профилем. Это гладкая, узкая и округлая форма с малым коэффициентом лобового сопротивления (около 0,45). С другой стороны, представьте себе, что крыло самолета имеет форму квадратной прямоугольной призмы. У таких крыльев лобовое сопротивление было бы огромным (это правда, так как коэффициент лобового сопротивления квадратной прямоугольной призмы равен 1,14).[10]
3
Используйте тела менее обтекаемой формы. Как правило, большие тела кубической формы имеют высокое лобовое сопротивление. Такие тела имеют прямоугольные углы и не сужаются к концу. С другой стороны, тела обтекаемой формы имеют закругленные края и обычно сужаются к концу.
- Например, сравните современный автомобиль и автомобиль, произведенный несколько десятилетий назад. Старые автомобили имели квадратные очертания, а в облике современных автомобилей множество плавных кривых. Поэтому современные автомобили имеют меньшее лобовое сопротивление и для них нужен двигатель меньшей мощности (что влечет экономию топлива).[11]
4
Используйте тела без сквозных отверстий. Любое сквозное отверстие в теле уменьшает лобовое сопротивление, так как позволяет воздуху или воде течь сквозь такое отверстие (благодаря отверстиям уменьшается площадь поверхности тела, перпендикулярная движению). Чем больше сквозные отверстия, тем меньше лобовое сопротивление. Вот почему парашюты, которые предназначены для создания большого лобового сопротивления (чтобы замедлить скорость падения), сделаны из прочного, легкого шелка или нейлона, а не из марли.
- Например, вы сможете увеличить скорость движения ракетки для пинг-понга, если просверлите в ней несколько отверстий (чтобы уменьшить площадь поверхности ракетки и соответственно уменьшить лобовое сопротивление).
5
Увеличьте скорость тела, чтобы повысить лобовое сопротивление (это верно для тел любой формы и сделанных из любого материала). Чем выше скорость объекта, тем сквозь больший объем жидкости или газа оно должно пройти и тем больше лобовое сопротивление. Тела, движущиеся на очень высоких скоростях, испытывают огромное лобовое сопротивление, поэтому они должны быть обтекаемыми; в противном случае сила сопротивления разрушит их.
- Например, рассмотрим Lockheed SR-71 – экспериментальный самолет-разведчик, построенный во времена холодной войны. Этот самолет мог летать с высокой скоростью М = 3,2 и, несмотря на его обтекаемую форму, испытывал огромное лобовое сопротивление (такое большое, что металл, из которого был сделан фюзеляж самолета, расширялся при нагревании, возникающем при трении).

Советы

Не забывайте, что при трении высвобождается много энергии в виде тепла. Например, не прикасайтесь к тормозным колодкам автомобиля непосредственно после торможения!
Имейте в виду, что высокие силы сопротивления могут привести к разрушению тела, движущегося в жидкости. Например, если во время прогулки на катере вы положите в воду кусок фанеры (так, чтобы ее поверхность была направлена перпендикулярно движению катера), то, скорее всего, фанера сломается.

Об этой статье

Эту страницу просматривали 13 903 раза.

Была ли эта статья полезной?

Источник

Ответ ДА! Но при условии, что это будет трение скольжения.

Уже вижу в ваших глазах недоумение: Как это шлифованием можно увеличить силу трения, да ещё трения скольжения? Ведь именно неровности являются причиной трения, а если их убрать – исчезнет причина. Раз нет причины, то отсутствует следствие! А смазку разве не для того мы применяем, чтобы сгладить неровности на поверхностях?

– Вынужден согласиться со всеми вашими аргументами, но …

– Какие ещё но? Всё и так ясно – выравнивание поверхности уменьшает трение, а не увеличивает его. Разве не так?

Не могу вам возразить, но остаюсь при своём мнении, и докажу что я прав.

Что такое трение?

Вы пробовали сдвинуть с места тяжёлый шкаф? Нужно приложить немало усилий для его перемещения даже по гладкому полу. Что же мешает движению шкафа?

Мешает сила, возникающая между поверхностями, которая всегда направлена против приложенной другой силы. Эта сила и есть трение. Для продвинутых физиков скажу: трение – это тангенциальное взаимодействие, возникающее между соприкасающимися поверхностями, при попытке осуществить их относительное перемещение.

В этом определении ключевое слово «взаимодействие». К нему мы ещё вернёмся. А пока выясним причину трения.

Даже гладкие поверхности имеют шероховатости, которые могут быть незаметными невооружённым глазом. Когда такие поверхности соприкасаются, то эти шероховатости входят в зацепление между собой и мешают движению.

Посмотрите на рисунок.

Если к неподвижному телу приложить какую-то силу, то сразу же возникнет сила трения, направленная в противоположную сторону. С увеличением приложенной силы увеличивается и сила трения. Но так продолжаться вечно не может. В какой-то момент тело, под действием силы начнёт движение, а сила трения сравняется по величине с приложенной силой.

Пока тело оставалось в покое, то сила трения изменялась пропорционально изменению внешней силы. Такое трение называют трением покоя.

Когда под действием внешней силы тело скользит по поверхности, то сила трения равна силе, обеспечивающей это скольжение. Такое трение называется трением скольжения.

На силу трения влияет несколько факторов:

· твёрдость поверхностей;

· уровень обработки поверхностей;

· сила давления (притяжения);

· тип соприкасающихся материалов.

Трение не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

F = kN, где k (иногда μ) – коэффициент трения, который зависит от природы вещества и качества обработки поверхностей, а N – сила реакции опоры.

Самый низкий коэффициент трения при скольжении стали по льду, а самый высокий при скольжении резины по бетону. Именно поэтому конькобежцы так легко скользят на ледовой дорожке, а бетонные дороги делают движение автомобиля уверенным.

Существует ещё один вид трения – трение качения. Это случай, когда круглое тело не скользит, а катится по поверхности. Например, если мяч катится по футбольному полю, он рано или поздно остановится. Именно трение качения заставляет мяч остановиться. Вряд ли вам надо доказывать тот факт, что трение качения всегда меньше трения скольжения (при прочих равных условиях). Тяжёлый камень легче перекатить, чем протащить его, скольжением по поверхности земли.

Трение полезно или вредно?

На первый взгляд от трения никакой пользы нет. Оно только мешает нам. Лучше бы его не было?

Действительно, с трением ведут борьбу, особенно в технике. Везде, где можно трение скольжения заменяют меньшим злом – трением качения. Почти в каждом механизме можно встретить подшипники. Они в разы уменьшают трение. Там, где невозможно применить подшипники используют смазку, которая тоже уменьшает силу трения. Чтобы уменьшить силу трения транспортные средства ставят на колёса.

Стоп! А для чего шины делают с протектором? Ведь колесо для того и придумано, чтобы уменьшить силу трения, а тут вдруг протектор, который трение увеличивает! Парадокс?

Нет никакого парадокса. Без трения движение транспорта, как впрочем, и пешим способом, было бы невозможно! Чтобы начать движение необходимо оттолкнуться от земли. Чтобы остановиться также необходимо трение. А как бы вы это делали без трения? Вспомните, как сложно передвигаться в гололёд. Это притом, что на подошвах обуви также есть протектор.

Выходит что трение в одних случаях полезно, а в других – вредно.

Способы борьбы с трением

С одним из способов мы уже познакомились – это замена трения скольжения трением качения. Другой способ – введение смазки между поверхностями. Смазочный материал заполняет неровности и таким образом уменьшает силу трения. В качестве смазки можно даже использовать воду, но у неё есть существенный недостаток – вода быстро испаряется. Поэтому различные масла для этого подходят лучше.

Третий способ – выравнивание поверхностей. Чем меньше шероховатостей, тем слабее сила трения. Но в этом случае главное не переусердствовать – идеальное шлифование не уменьшит, а увеличит силу трения!

Почему между идеально отшлифованными поверхностями сила трения увеличивается?

Вы когда-нибудь разбирали картридж крана для воды? При случае изучит его. В нём есть две керамические пластины, перекрывающие поток воды. Эта керамика настолько отшлифована, что между пластинами не проникают молекулы воды. Они притягиваются как магниты. Но ведь мы знаем, что у керамики нет магнитных свойств. Почему же действует притяжение?

Дело в том, что на близких расстояниях проявляются силы притяжения атомов вещества. Самое время вспомнить ключевое слово «взаимодействие», которое присутствует в определении силы трения. Это взаимодействие как раз и увеличивает трение скольжения идеально гладких поверхностей. То есть, путём шлифования, на каком-то этапе можно увеличить силу трения, о чём я утверждал в начале статьи.

Источник

Любое движение в природе и технике, которое предполагает наличие физического контакта между твердыми телами, сопровождается возникновением трения. В данной статье приведем примеры силы трения и покажем, в каких случаях она играет полезную роль, а в каких является нежелательной.

Какие виды трения между твердыми телами бывают

В данной статье рассмотрим только примеры сил трения, которые действуют между твердыми объектами, имеющими физический контакт друг с другом.

Одним из важных видов трения является трение покоя. Исходя из самого названия, можно предположить, что оно проявляется, когда одно тело на поверхности другого покоится. Каждый знает, чтобы с места сдвинуть какой-нибудь тяжелый предмет, необходимо приложить некоторую внешнюю силу, направленную вдоль поверхности контакта этого предмета и поверхности, на которой он стоит. Противодействие этой силе оказывает сила трения покоя. Действует она между поверхностями соприкосновения тел. Трение покоя возникает из-за наличия шероховатости на касающихся поверхностях, какими бы гладкими они ни являлись.

Второй вид трения, который мы рассмотрим, это трение скольжения. Возникает оно также по причине упомянутой шероховатости, когда тела начинают движение относительно друг друга с помощью скольжения. Направление и точка приложения силы трения скольжения являются точно такими же, как для трения покоя. Единственным отличием между этими силами является то, что сила скольжения всегда меньше, чем сила покоя.

Третьим видом трения, который играет не меньшую роль в технике, чем первые два, является трение качения. Как говорит его название, появляется оно, когда одно тело катится по поверхности другого. Причина трения качения заключается в гистерезисе деформации, который приводит к «распылению» кинетической энергии катящегося тела. В ряде практических случаев эта сила трения в 10-100 и более раз меньше, чем предыдущие рассмотренные виды трения.

Все виды сил трения прямо пропорциональны силе реакции опоры, с которой последняя действует на рассматриваемое тело.

Вред и польза силы трения покоя: примеры

Из всех названных видов трения, пожалуй, трение покоя является самым «безобидным». Дело в том, что оно на практике играет практически всегда полезную роль. Единственный его отрицательный момент заключается в том, что оно больше трения скольжения. Последний факт означает, что для любого начала движения необходимо приложить большое усилие. Например, чтобы начать движение на лыжах по снегу, сначала следует буквально «оторвать» их от снежной поверхности.

Существует масса примеров пользы силы трения покоя. Перечислим их:

Гвозди и шурупы, которые прочно скрепляют два твердых тела из дерева, пластика и металла, выполняют свои функции благодаря действию рассматриваемой силы.
Ходьба человека, езда автомобилей по дорогам осуществляется благодаря тому, что трение покоя оказывается бо́льшим, чем трение скольжения. В противном бы случае, нам тяжело было бы двигаться, люди и транспортные средства скользили бы на одном месте.
Любые тела, которые покоятся на наклонных поверхностях, обязаны действию трения покоя. Если бы последнего не было, то невозможно было бы поставить на ручной тормоз автомобиль на косогоре или любой бытовой предмет на стол, который имеет небольшой наклон к горизонту.

Трение скольжения и его польза

В отличие от трения покоя, которое в основном играет положительную роль в жизнедеятельности человека, трение скольжения, как правило, является вредной силой. Тем не менее, можно привести два примера полезной силы трения скольжения:

Поскольку трение скольжения приводит к разогреванию поверхности предметов (естественный и самый простой способ перевода механической энергии в тепловую), то этот эффект можно использовать для увеличения температуры тел. Так, в древности наши предки с помощью трения скольжения добывали огонь.
Когда водитель хочет остановить транспортное средство, то он нажимает на педаль тормоза. При этом тормозные диски скользят внутри обода колеса и тормозят его вращение.

Вред трения скольжения

Примеры действия силы трения скольжения — это движение шкафа по полу, когда мы хотим переставить его в комнате, скольжение лыжника и конькобежца, проскальзывание колес автомобиля при их блокировки или при движении по скользкой дороге, проскальзывание между трущимися деталями механизмов различных машин.

Во всех названных случаях трение скольжения играет вредную роль. Названные примеры вреда силы трения скольжения связаны с тем, что она препятствует механическому движению и «съедает» некоторую долю кинетической энергии (лыжи, коньки, движущиеся части машин). Кроме того, перевод части механической энергии в тепловую приводит к разогреву трущихся деталей. Повышение же их температуры приводит к изменению микроскопической структуры, что нарушает свойства материалов. Наконец, перечисленные примеры силы трения скольжения приводят к износу трущихся поверхностей, появлению на них нежелательных борозд, утончению.

Трение качения и его вред и польза

Если рассмотреть в корне вопрос пользы силы трения качения, то окажется, что ее нет вовсе. Действительно, трение качения всегда препятствует механическому вращению, оно приводит к износу рабочих деталей и к их нежелательному нагреву. Тем не менее явление качения широко используется в технике (подшипники, колеса транспортных средств). Объясняется это тем, что сила трения качения намного меньше аналогичной силы скольжения, что на порядки снижает масштаб ее вредного влияния.

Увеличение и уменьшение сил трения

Как мы видели выше в примерах, силы трения покоя и скольжения иногда оказываются полезными, а иногда вредными. В связи с этим человечество с давних времен использует способы для изменения масштаба действия трения как в сторону увеличения соответствующей силы, так и в сторону ее уменьшения.

Яркими примерами, как увеличить силу трения, является посыпание песком и солью льда на дорогах. В результате этих действий происходит увеличение шероховатости ледяной поверхности и, как следствие, увеличение сил трения покоя и скольжения.

Еще один способ увеличения рассматриваемых сил заключается в использовании специальных поверхностей. Ярким примером является поверхность зимней покрышки автомобиля, которая характеризуется глубоким протектором и наличием металлических шипов.

Во время катания на лыжах, а также при вращении подшипников различных механизмов трение играет отрицательную роль. Для его уменьшения используют специальные смазки, как правило, на основе жиров (воск, литол).

Источник