Коэффициент трения

Тре́ние — процесс взаимодействия твёрдых тел при их относительном движении (смещении) либо при движении твердого тела в жидкой или газообразной среде. По-другому называется фрикционным взаимодействием (англ. friction). Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется механикой фрикционного взаимодействия, или трибологией (tribology).

Виды сил трения

При наличии относительного движения двух контактирующих тел силы трения, возникающие при их взаимодействии, можно подразделить на:

• Трение скольжения — сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирущих/взаимодействущих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения;

• Трение качения — момент сил, возникающий при качении одного из двух контактирущих/взаимодействущих тел относительно другого и противодействующий вращению движущегося тела;

При отсутствии относительного движения двух контактирующих тел и наличии сил, стремящихся осуществить такое движение, в ряде ситуаций возникает

• трение покоя — сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного движения.

По физике взаимодействия трение принято разделять на:

• сухое, когда взаимодействующие твердые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками — очень редко встречающийся на практике случай. Характерная отличительная черта сухого трения — наличие значительной силы трения покоя.

• жидкостное (вязкое), при взаимодействии тел, разделённых слоем жидкости или газа (смазки) различной толщины — как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость; см. также вязкость.

• смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;

• граничное, когда в области контакта могут содержатся слои и участки различной природы (окисные пленки, жидкость и т. д.) — наиболее распространенный случай при трении скольжения.

В связи со сложностью физико-химических процессов, протекающих в зоне фрикционного взаимодействия, процессы трения принципиально не поддаются описанию с помощью методов классической механики.

Закон Амонтона-Кулона

Основная статья: Закон_Кулона_(механика)

Не путать с законом Кулона!

Основной характеристикой трения является коэффициент трения μ, который определяется материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодеиствующих тел: сила трения F и нормальная нагрузка N_normal связаны неравенством

$| F | \leqslant \mu {N_{normal}},$

обращающимся в равенство только при наличии относительного движения. Это соотношение называется законом Амонтона-Кулона.

Закон Амонтона-Кулона с учетом адгезии

Для большинства пар материалов значение коэффициента трения μ не превышает 1 и находится в диапазоне 0,1 — 0,5. Если коэффициент трения превышает 1 (μ > 1), это означает, что между контактирующими телами имеется сила адгезии N_adhesion и формула расчета коэффициента трения меняется на $\mu = \frac{F}{N_{normal}+N_{adhesion}}$.

Трение в механизмах и машинах

В большинстве традиционных механизмов (ДВС, автомобили, зубчатые шестерни и пр.) для уменьшения силы трения используются различные натуральные и синтетические масла и смазки. В современных механизмах для этой цели используется также напыление покрытий (тонких плёнок) на детали. С миниатюризацией механизмов и созданием микроэлектромеханических систем (МЭМС) и нано-электро-механических-систем (НЭМС) величина трения по сравнению с действующими в механизме силами увеличивается и становится весьма значительной $(\mu \geqslant 1)$, и при этом не может быть уменьшена с помощью обычных смазок, что вызывает значительный теоретический и практический интерес инженеров и ученых к данной области. Для решения проблемы трения создаются новые методы его снижения в рамках трибологии и науки о поверхности (англ.).

Ссылки

• Трение, Износ, Смазка, журнал о трении.
• Трение и Износ, журнал о трении издается Национальной Академией Наук Беларуси с 1980 г.
• Journal of Tribology, международный журнал о трении.
• Wear, международный журнал о трении и износе.

Литература

• Фролов, К.В. (ред.): Современная трибология: Итоги и перспективы. Изд-во ЛКИ, 2008 г.
• Popov, Valentin L.: Kontaktmechanik und Reibung. Ein Lehr- und Anwendungsbuch von der Nanotribologie bis zur numerischen Simulation, Springer-Verlag, 2009, 328 S., ISBN 978-3-540-88836-9.
• Persson, Bo N.J.: Sliding Friction. Physical Principles and Applications. Springer, 2002, ISBN 3540671927.
• Rabinowicz, Ernest: Friction and Wear of Materials. Wiley-Interscience, 1995, ISBN 0471830844.
• Bowden F.P., Tabor D.: The Friction and Lubrication of Solids, Oxford University Press, 2001, 424 p, ISBN 0198507771.