Тренето е явление, с което се сблъскваме в ежедневието през цялото време. Невъзможно е да се определи дали триенето е вредно или полезно. Да направите дори крачка по хлъзгав лед изглежда трудна задача, ходенето по грапава асфалтова настилка е удоволствие. Автомобилните части без смазване се износват много по-бързо.
Изучаването на триенето, познаването на основните му свойства позволява на човек да го използва.
Силата на триенето във физиката
Силата, произтичаща от движение или опит за движение на едно тяло върху повърхността на друго, насочена срещу посоката на движение, приложена към движещи се тела, се нарича сила на триене. Модулът на силата на триене, чиято формула зависи от много параметри, варира в зависимост от вида на съпротивлението.
Разграничават се следните видове триене:
• почивка;
• фиш;
• търкаляне.
Всеки опит за преместване на тежък предмет (шкаф, камък) от мястото му води до напрежение на силите на човек. В същото време не винаги е възможно обектът да се задвижи. Триенето на почивката пречи на това.
Състояние на покой
Формула за изчисление на силата на статично триенене ни позволява да го определим достатъчно точно. По силата на третия закон на Нютон, величината на силата на статичното съпротивление зависи от приложената сила.
С увеличаване на силата се увеличава и силата на триене.
0 < Fпроблема с почивка < Fmax
Тренето на почивка предотвратява падането на пирони, забити в дървото; копчетата, зашити с конец, се държат здраво на място. Интересното е, че съпротивлението на почивката позволява на човек да ходи. Нещо повече, тя е насочена в посоката на човешкото движение, което противоречи на общото състояние на нещата.
Феномен на плъзгане
Когато външната сила, която движи тялото, се увеличи до стойността на най-голямата сила на статично триене, то започва да се движи. Силата на триене при плъзгане се разглежда в процеса на плъзгане на едно тяло върху повърхността на друго. Стойността му зависи от свойствата на взаимодействащите повърхности и силата на вертикалното действие върху повърхността.
Формула за изчисление на силата на триене при плъзгане: F=ΜP, където Μ е коефициентът на пропорционалност (триене на плъзгане), P е силата на вертикално (нормално) налягане.
Една от движещите сили е силата на триене на плъзгане, чиято формула е написана с помощта на силата на реакция на опората. Поради изпълнението на третия закон на Нютон, силите на нормалното налягане и реакцията на опората са еднакви по големина и противоположни по посока: Р=N.
Преди да намерите силата на триене, чиято формула приема различна форма (F=M N), определете силата на реакция.
Коефициентът на съпротивление на плъзгане се въвежда експериментално за две триещи се повърхности, зависи от качеството на тяхната обработка и материала.
Маса. Стойността на коефициента на съпротивление за различни повърхности
| pp | Взаимодействащи повърхности | Стойност на коефициента на триене при плъзгане |
| 1 | Стомана+лед | 0, 027 |
| 2 | дъб+дъб | 0, 54 |
| 3 | Кожа+чугун | 0, 28 |
| 4 | Бронз+желязо | 0, 19 |
| 5 | Бронз+чугун | 0, 16 |
| 6 | Стомана+стомана | 0, 15 |
Най-голямата сила на статично триене, чиято формула беше написана по-горе, може да се определи по същия начин като силата на триене при плъзгане.
Това става важно при решаване на проблеми за определяне на силата на съпротивлението при шофиране. Например книга, която се движи от ръка, натисната отгоре, се плъзга под действието на силата на съпротивлението на покой, която възниква между ръката и книгата. Размерът на съпротивлението зависи от стойността на вертикалната сила на натиск върху книгата.
Феномен на търкаляне
Преходът на нашите предци от влекачи към колесници се счита за революционен. Изобретението на колелото е най-великото изобретение на човечеството. Триенето при търкаляне, което възниква, когато колело се движи по повърхност, е значително по-ниско по величина от съпротивлението при плъзгане.
Появата на сили на триене при търкаляне е свързана със силите на нормалното налягане на колелото върху повърхността, има естество, което го отличава от плъзгане. Поради лека деформация на колелото възникват различни сили на натиск в центъра на образуваната зона и по нейните краища. Тази разлика в силите определя появата на съпротивление при търкаляне.
Формулата за изчисляване на силата на триене при търкаляне обикновено се взема подобно на процеса на плъзгане. Разликата се вижда само в стойностите на коефициента на съпротивление.
Природата на съпротивата
Когато грапавостта на триещите се повърхности се промени, стойността на силата на триене също се променя. При голямо увеличение две контактни повърхности изглеждат като неравности с остри върхове. Когато се наслагват, изпъкналите части на тялото са в контакт една с друга. Общата площ на контакт е незначителна. При движение или опит за преместване на тела „върховете“създават съпротива. Големината на силата на триене не зависи от площта на контактните повърхности.
Изглежда, че две идеално гладки повърхности не трябва да изпитват абсолютно никакво съпротивление. На практика силата на триене в този случай е максимална. Това несъответствие се обяснява с естеството на произхода на силите. Това са електромагнитни сили, действащи между атомите на взаимодействащите тела.
Механичните процеси, които не са придружени от триене в природата, са невъзможни, тъй като способността за "изключване"няма електрическо взаимодействие между заредените тела. Независимостта на съпротивителните сили от взаимното положение на телата ни позволява да ги наречем непотенциални.
Интересно е, че силата на триене, чиято формула се променя в зависимост от скоростта на взаимодействащите тела, е пропорционална на квадрата на съответната скорост. Тази сила включва силата на вискозно съпротивление в течност.
Движение в течност и газ
Движението на твърдо тяло в течност или газ, течност близо до твърда повърхност е придружено от вискозно съпротивление. Възникването му е свързано с взаимодействието на флуидни слоеве, увлечени от твърдо тяло в процеса на движение. Различните скорости на слоя са източник на вискозно триене. Особеността на това явление е липсата на статично триене на течността. Независимо от големината на външното влияние, тялото започва да се движи, докато е в течността.
В зависимост от скоростта на движение, силата на съпротивление се определя от скоростта на движение, формата на движещото се тяло и вискозитета на флуида. Движението във вода и масло на едно и също тяло е придружено от съпротива с различно величие.
За ниски скорости: F=kv, където k е коефициентът на пропорционалност в зависимост от линейните размери на тялото и свойствата на средата, v е скоростта на тялото.
Температурата на течността също влияе на триенето в нея. В мразовито време колата се загрява, така че маслото да се затопли (вискозитетът му намалява) и спомага за намаляване на разрушаването на частите на двигателя в контакт.
Ускорете движението
Значителното увеличаване на скоростта на тялото може да предизвика появата на турбулентни потоци, докато съпротивлението се увеличава драстично. Стойностите са: квадратът на скоростта на движение, плътността на средата и повърхността на тялото. Формулата за сила на триене приема различна форма:
F=kv2, където k е коефициентът на пропорционалност в зависимост от формата на тялото и свойствата на средата, v е скоростта на тялото.
Ако тялото е рационализирано, турбуленцията може да бъде намалена. Формата на тялото на делфините и китовете е идеален пример за законите на природата, които влияят на скоростта на животните.
Енергиен подход
Извършването на работата по движението на тялото е възпрепятствано от съпротивлението на околната среда. Когато използват закона за запазване на енергията, те казват, че промяната в механичната енергия е равна на работата на силите на триене.
Работата на силата се изчислява по формулата: A=Fscosα, където F е силата, при която тялото се движи на разстояние s, α е ъгълът между посоките на сила и преместване.
Очевидно силата на съпротивлението е противоположна на движението на тялото, откъдето cosα=-1. Работата на силата на триене, чиято формула е Atr=- Fs, стойността е отрицателна. В този случай механичната енергия се преобразува във вътрешна енергия (деформация, нагряване).
