Что такое трение скольжения: Сила трения скольжения — урок. Физика, 9 класс.

Содержание

Сила трения скольжения — урок. Физика, 9 класс.

Сила трения скольжения возникает, если одно тело скользит по поверхности другого тела. Трение скольжения характеризуется силой трения, которая тормозит движение скольжения.

Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе реакции опоры и коэффициенту трения скольжения.

Сила трения равна произведению коэффициента трения скольжения на силу реакции опоры и вычисляется по формуле: Fтр=μ⋅Fр.

При увеличении веса тела и коэффициента трения увеличивается сила трения. Сила трения скольжения действует в тех случаях, когда тело движется или его пытаются сдвинуть с места.

Сила реакции опоры — сила, при помощи которой опора действует на тело. Сила реакции опоры — сила, при помощи которой опора давит на тело, которое находится на ней. Из третьего закона Ньютона следует, что сила реакции опоры всегда равна силе, при помощи которой тело воздействует на опору. На неподвижной горизонтальной поверхности сила реакции опоры всегда равна весу тела или силе тяжести: Fр=Fт. На наклонной плоскости сила тяжести и сила, при помощи которой тело воздействует на опору, различаются.

 

Обрати внимание!

Сила реакции опоры всегда направлена перпендикулярно поверхности опоры.

      

 

Коэффициент трения скольжения — отношение силы трения к силе реакции опоры. Коэффициент трения между двумя любыми материалами легко определить, если возможно измерить силу трения, которая равна силе тяги, при которой тело перемещается равномерно, и силу тяжести, которая на горизонтальной поверхности равна силе реакции опоры. В таблице представлены различные коэффициенты трения скольжения.

 

Пары материаловКоэффициент трения скольжения
Сталь — лёд (коньки)\(0,015\)
Древесина — древесина\(0,2\)–\(0,5\)
Покрышка — мокрый асфальт\(0,35\)–\(0,45\)
Покрышка — сухой асфальт\(0,50\)–\(0,75\)

 

Обрати внимание!

Коэффициент трения скольжения не имеет размерности.

Если сравнивать коэффициенты трения покрышки на сухом и мокром асфальте, то на мокром асфальте у одной и той же машины коэффициент трения, а также сила трения почти в \(2\) раза меньше, чем на сухом асфальте. В результате также увеличивается замедление торможения почти в \(2\) раза, поэтому тормозной путь может увеличиться почти в \(4\) раза.

У силы трения имеются как положительные, так и отрицательные свойства. Если бы не было силы трения, то мы не могли бы оттолкнуться при ходьбе от земли, а машина не могла бы «оттолкнуться» от поверхности дороги. Но в технике трение между различными вращающимися и скользящими поверхностями весьма нежелательно, поэтому такое оборудование смазывают, чтобы снизить влияние силы трения.

Трение скольжения

Трением скольжения называют механический эффект, возникающий в зоне контакта взаимодействующих тел при их движении относительно друг друга.

Сила трения скольжения зависит от материалов и шероховатости контактирующих поверхностей тел, величины их давления друг на друга и скорости их относительного движения.

При определении сил трения используется известная из физики зависимость, показывающая, что сила трения пропорциональна нормальной реакции (закон Амонтона-Кулона).

При этом коэффициент пропорциональности зависит от материалов, физического состояния соприкасающихся поверхностей и называется коэффициентом трения скольжения (коэффициент трения обозначается f и является справочным материалом).

Геометрическая сумма нормальной реакции и силы трения представляет собой полную реакцию между соприкасающимися поверхностями.

Угол между полной реакцией R и нормальной составляющей называется углом трения (обычно обозначается греческой буквой ρ — рисунок 20а, в некоторых случаях – φ).

Из рисунка 20а:

Таким образом, между коэффициентом трения и углом трения очень простая однозначная зависимость, которая позволяет в равной степени пользоваться обоими параметрами для характеристики сил трения и получать наиболее удобные зависимости при расчетах.

При движении тела по поверхности в разных направлениях полная реакция меняет свое положение, а ее геометрическое место представляет собой конус, который называется конусом трения (см. рисунок 20б).

Заменим силы Q и F (рисунок 20а) результирующей силой FΣ ( рисунок 20в). На расчетной схеме обычно все силы прикладывают в центр ползуна, рассматривая сходящуюся систему сил для упрощения задачи и пренебрегая незначительным расстоянием от поверхности до центра ползуна.

Тело будет двигаться вдоль поверхности, если движущая сила Fдв будет больше силы сопротивления (в данном случае силы трения) или, в крайнем случае, равна ей. Из рисунка 20в:

Таким образом, тело будет двигаться вдоль поверхности в том случае, когда линия действия внешней результирующей силы, приложенной к этому телу, будет проходить вне конуса трения (ускоренное движение) или совпадать с его образующей (равномерное движение).

Если линия действия результирующей внешней силы проходит внутри конуса трения, то происходит самоторможение.

Трение на наклонной плоскости >
Курсовой проект по ТММ >

Сила трения | Физика

Если вы попытаетесь сдвинуть с места шкаф, то сразу убедитесь, что это не так-то просто сделать. Его движению будет мешать взаимодействие ножек с полом, на котором он стоит.

Взаимодействие, возникающее в месте соприкосновения тел и препятствующее их относительному движению, называют трением, а характеризующую это взаимодействие силу — силой трения.

Различают три вида трения: трение покоя, трение скольжения и трение качения.

1. Трение покоя. Положим брусок на наклонную доску. При не слишком большом угле наклона доски брусок может остаться на месте. Что будет удерживать его от соскальзывания вниз? Трение покоя.

Прижмите свою руку к лежащей на столе тетради и передвиньте ее. Тетрадь будет двигаться относительно стола, но покоиться по отношению к вашей ладони. С помощью чего вы заставили эту тетрадь двигаться? С помощью трения покоя тетради о руку.

Трение покоя перемещает грузы, находящиеся на движущейся ленте транспортера (рис. 40), препятствует развязыванию шнурков, удерживает гвозди, вбитые в доску, и т. д.Сила трения покоя может быть разной. Она растет вместе с силой, стремящейся сдвинуть тело с места. Но для любых двух соприкасающихся тел она имеет некоторое максимальное значение, больше которого быть не может. Например, для деревянного бруска, находящегося на деревянной доске, максимальная сила трения покоя составляет примерно 0,6 от его веса.

Приложив к телу силу, превышающую максимальную силу трения покоя, мы сдвинем тело с места, и оно начнет двигаться. Трение покоя при этом сменится трением скольжения.

2. Трение скольжения. Из-за чего постепенно останавливаются санки, скатившиеся с горы? Из-за трения скольжения. Почему замедляет свое движение шайба, скользящая по льду? Вследствие трения скольжения.

Сила трения скольжения направлена всегда в сторону, противоположную направлению движения тела.

Каковы же причины возникновения силы трения?

  1. Шероховатость поверхностей соприкасающихся тел. Даже те поверхности, которые выглядят гладкими, на самом деле всегда имеют микроскопические неровности (выступы, впадины). При скольжении одного тела по поверхности другого эти неровности зацепляются друг за друга и тем самым мешают движению.
  2. Межмолекулярное притяжение, действующее в местах контакта трущихся тел. О молекулах (мельчайших частицах вещества) будет рассказано в главе 4. Сейчас важно усвоить одно — между молекулами вещества на очень малых расстояниях возникает притяжение.

Молекулярное притяжение проявляется в тех случаях, когда поверхности соприкасающихся тел хорошо отполированы. Так, например, при относительном скольжении двух металлов с очень чистыми и ровными поверхностями, обработанными в вакууме с помощью специальной технологии, сила трения оказывается намного больше, чем при перемещении неровного бруска дерева по земле. В некоторых случаях эти металлы даже «схватываются» друг с другом, и дальнейшее скольжение невозможно.

3. Трение качения. Если тело не скользит по поверхности другого тела, а, подобно колесу или цилиндру, катится, то возникающее в месте их контакта трение называют трением качения. Катящееся колесо несколько вдавливается в полотно дороги, и потому перед ним все время оказывается небольшой бугорок, который необходимо преодолевать. Именно тем, что катящемуся колесу постоянно приходится взбираться на появляющийся впереди бугорок, и обусловлено трение качения. При этом, чем дорога тверже, тем трение качения меньше.

При одинаковых нагрузках сила трения качения значительно меньше силы трения скольжения. Это было замечено еще в древности. Поэтому для перемещения тяжелых грузов наши предки подкладывали под них катки или бревна. По этой же причине люди стали использовать в транспорте колеса.

I. Какие известные вам наблюдения и опыты свидетельствуют о существовании трения? 2. Что такое трение? 3. Какими факторами обусловлено трение? 4. Какие виды трения существуют? Приведите примеры их проявления. 5. Используя рисунок 41, объясните, каким образом можно показать, что при равных нагрузках сила трения качения меньше силы трения скольжения.

Трение

Трение покоя часто является желательным эффектом. В конце концов, мы не хотим, чтобы тарелка соскользнула со стола или автомобиль тронулся на светофоре, или подошвы обуви скользили при перетягивании каната. Тяга, достигаемая автомобилями Формулы 1, из-за которой старт гонки может быть как удачным, так и неудачным, — это не что иное, как намеренное использование трения покоя.

Если трение покоя тела на наклонной плоскости больше или равно тянущему вниз усилию, тело не будет двигаться.

Трение скольжения возникает на поверхности контакта между телами, которые движутся относительно друг друга. Сила трения движения обычно меньше силы трения покоя при той же нормальной силе. Если тянущая вниз сила, действующая на тело на наклонной плоскости, больше, чем сила трения движения, тело начнет двигаться. Скатываясь со склона, каждое неподвижное тело начинает скольжение при определенном угле наклона, т. е. трение покоя переходит в трение скольжения.

Когда тело катится по поверхности, проявляется трение качения. Оно появляется из-за деформации тела, чья жесткость не идеальна. Это описывается безразмерным коэффициентом трения качения. Этот коэффициент определяется как отношение между расстоянием трения качения и радиусом катящегося тела.

В случае если трение движения и трение качения складываются, как это бывает, например, в зубчатых колесах, его называют внутренним трением качения.

Трение сверления проявляется в точке опоры тела, которое вращается вокруг своей вертикальной оси на плоскости. Каждый ребенок знаком с этим феноменом благодаря приключенческим фильмам, где трение сверления используется для разведения огня.

Трение ремней, расположенных вокруг круглых тел и натянутых с обеих сторон, описывается уравнением Эйлера-Эйтельвайна. Этот феномен называется ременным трением и оговаривает условия, при которых ремень держится на теле. Этот вид трения используется, например, в ременных передачах.

Сухое трение возникает между двумя или более поверхностями, которые движутся одна по другой. Неровности поверхности в этом процессе сглаживаются (истирание или износ). Сухое трение проявляется, например, когда используются сухие смазки (такие как графит). Его также можно уменьшить, используя шариковые подшипники.

В случае когда между двумя или более поверхностями скольжения сформировалась постоянная пленка смазки, наблюдается жидкое трение. Типичные смазки — это нефть, жир, вода и газы. Поверхности скольжения полностью отделяются одна от другой. Благодаря этому трение является следствием скольжения молекул смазки одной относительно другой. Чтобы не допустить перегрева смазки, ее необходимо охлаждать (например, в водяном радиаторе автомобиля или мотоцикла).

Трение, его виды. Трение скольжения и трение качения. Сила и коэффициент трения. Борьба с износом трущихся деталей

материал предоставил СИДОРОВ Александр Владимирович

Трение (фрикционное взаимодействие) — процесс взаимодействия тел при их относительном движении (смещении) либо при движении тела в газообразной или жидкой среде.

Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется

трибология (механика фрикционного взаимодействия).

Трение принято разделять на:

  • сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями / смазками (в том числе и твёрдыми смазочными материалами) — очень редко встречающийся на практике случай; характерная отличительная черта сухого трения — наличие значительной силы трения покоя;
  • граничное, когда в области контакта могут содержаться слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и так далее) — наиболее распространённый случай при трении скольжения;
  • жидкостное (вязкое), возникающее при взаимодействии тел, разделённых слоем твёрдого тела (порошком графита), жидкости или газа (смазки) различной толщины — как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость, величина вязкого трения характеризуется вязкостью среды;
  • смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
  • эластогидродинамическое (вязкоупругое), когда решающее значение имеет внутреннее трение в смазывающем материале. Возникает при увеличении относительных скоростей перемещения.

Сила трения – это сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их относительному движению.

Причины возникновения силы трения:

  • шероховатость соприкасающихся поверхностей;
  • взаимное притяжение молекул этих поверхностей.

Трение скольжения — сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих / взаимодействующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения.

Трение качения — момент сил, возникающий при качении одного из двух контактирующих / взаимодействующих тел относительно другого.

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.

Сила трения прямо пропорциональна силе нормальной реакции, то есть зависит от того, насколько сильно тела прижаты друг к другу и от их материала, поэтому основной характеристикой трения является коэффициент трения, который определяется материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел. [1]

Износ — изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия вследствие разрушения (изнашивания) поверхностного слоя при трении. [2]

Работа любой машины неизбежно сопровождается трением при относительном движении её частей, поэтому полностью устранить износ невозможно. Величина износа при непосредственном контакте поверхностей прямо пропорциональна работе сил трения.

Абразивный износ частично вызывается действием пыли и грязи, поэтому очень важно содержать оборудование в чистоте, особенно её трущиеся части.

Для борьбы с износом и трением заменяют одни металлы другими, более устойчивыми, применяют термическую и химическую обработку трущихся поверхностей, точную механическую обработку, а также заменяют металлы различными заменителями, изменяют конструкцию, улучшают смазку (изменяют вид, вводят присадки) и т.д.

В машинах стремятся не допускать непосредственного трения скольжения твёрдых поверхностей, для чего или разделяют их слоем смазки (жидкостное трение), или же вводят между ними добавочные элементы качения (шариковые и роликовые подшипники).

Основное правило конструирования трущихся деталей машин состоит в том, что более дорогой и трудно заменяемый элемент трущейся пары (вал) изготовляют из более твёрдого и более износоустойчивого материала (твёрдая сталь), а более простые, дешёвые и легко заменяемые части (вкладыши подшипников) изготовляют из сравнительно мягкого материала с небольшим коэффициентом трения (бронза, баббит).

Большинство деталей машин выходят из строя именно вследствие износа, поэтому уменьшение трения и износа даже на 5-10% даёт огромную экономию, что имеет исключительное значение. [3]

Перечень ссылок

  1. Трение // Википедия. — http://ru.wikipedia.org/wiki/Трение.
  2. Износ (техника) // Википедия. — http://ru.wikipedia.org/wiki/Износ_(техника).
  3. Трение в машинах, трение и износ в машиностроении // Проект-Технарь. Прогрессивные авто-технологии. — http://www.studiplom.ru/Technology/Trenie.html.

Вопросы для контроля

  1. Что такое трение?
  2. Какие существуют разновидности трения?
  3. Что приводит к возникновению силы трения?
  4. Как классифицируют трение в зависимости от действующих сил?
  5. Что такое износ и как с ним борются?

5 2 голоса

Рейтинг статьи

2.6.1 Природа сил трения

При взаимодействии зонда с поверхностью помимо нормальных сил возникают также боковые (латеральные) силы. АСМ позволяет измерять эти силы, что существенно расширяет возможности для исследования свойств поверхностей различных образцов. Соответствующая методика носит название Метода Латеральных Сил (МЛС).

Какова природа латеральных сил и какую дополнительную информацию о поверхности они могут дать? Существуют две основные силы, которые имеют горизонтальную составляющую – это сила трения и нормальная реакции образца , которая из-за локальных неровностей поверхности отклоняется от вертикали (рис. 1). Последняя всецело определяется рельефом поверхности. Таким образом, латеральные силы несут информацию о топографии, что при наличии других методов исследования, вряд ли имеет большую экспериментальную ценность.

Рис. 1.  Латеральные силы.

С другой стороны, возможность изучения силы трения способна дать новые сведения о свойствах поверхности. Это сделало АСМ важным экспериментальным инструментом трибологии – раздела физики, изучающего природу трения.

В зависимости от масштаба, на котором изучается трение, в современной трибологии принято выделять три раздела:

  • макротрибологию (или просто трибологию)
  • микротрибологию
  • нанотрибологию

Лишь с возникновением сканирующих микроскопов появилась возможность экпериментального изучения микро- и нанотрибологии. Ниже кратко обсуждаются некоторые положения трибологии, а затем рассказывается о методе исследования латеральных сил.

Сила трения – это совокупный эффект, возникающий в результате самых различных физических явлений: упругости, адгезии, вязкости, капиллярных сил, химических особенностей, фононного и электростатического взаимодействий и проч. В зависимости от условий может преобладать то или другое явление.

Каждый из разделов трибологии исследует трение на своем масштабе. Макротрибология имеет дело с большими объектами и не рассматривает особенностей строения вещества. С другой стороны, задачей нанотрибологии является объяснение трения на уровне взаимодействия отдельных атомов. Микротрибология является переходным разделом.

Основным соотношением Макротрибологии является закон Амонтона-Кулона, который пропорционально связывает силу трения и нормальную реакцию:

(1)

где k – безразмерный коэффициент трения, который и несет всю информацию о трибологии. Он зависит от многих факторов, среди которых температура, влажность, скорость скольжения и др.

В макротрибологии считается, что геометрическая площадь контакта двух тел равна (или не сильно отличается) реальной площади контакта на атомарном уровне. Разумеется, это некоторое приближение, т.к. на самом деле даже самые гладкие поверхности на меньшем масштабе оказываются неровными, и фактический контакт двух тел происходит по гораздо меньшей площади — соприкасаются только выступающие части. Контакт в макромасштабе – это множество микроконтактов (рис. 2). Макроскопическая сила трения при этом есть усредненная микроскопическая сила трения отдельных микроконтактов, которая может сильно варьироваться.

Рис. 2. Контакт в макромасштабе шарика и кремниевой пластины [1].

Микротрибология занимается исследованием таких элементарных контактов. Как правило, подразумевается, что небольшой выступ взаимодействует с некоторой поверхностью. Именно такая модель и сделала АСМ наиболее привлекательной экспериментальной методикой микротрибологии.

Как известно, трение является диссипативной силой. При скольжении поверхностей друг по другу происходит рассеяние механической энергии. И, например, для поддержания постоянной скорости скольжения внешней силе необходимо совершать работу. Поэтому каждый из эффектов, приводящих к трению, имеет механизм диссипации энергии. В рамках обсуждения микротрибологии перечислим некоторые из них.

Трение подразделяется на два основных типа: сухое и жидкое. Причем жидким трение считают даже тогда, когда на поверхности образуется очень небольшая (в несколько атомарных слоев) пленка жидкости. В результате адсорбции это происходит практически всегда, исключения составляют следующие случаи:

  1. гидрофобные поверхности зонда и образца,
  2. трение в вакууме,
  3. а также случаи, когда в результате большой нормальной нагрузки слой жидкости вытесняется из площади контакта, поверхности вступают в непосредственный контакт, и фактически реализуется механизм сухого трения.

В случае сухого трения считается, что при скольжении трущихся поверхностей микронеровности задевают друг за друга. При преодолении препятствий, возникают атомарные вибрации, которые в виде фононов рассеиваются, унося энергию. Кроме того, при разрыве адгезионных связей, возникающих между выступами соприкасающихся поверхностей, в металлических образцах образуются пары электрон-дырка, на возникновение которых также затрачивается энергия (этот эффект значительно слабее, чем фононное рассеяние). В случае мягких образцов возможно и разрушение микронеровностей, так называемое «пропахивание», в этом случае механическая энергия расходуется на разрушение атомарных связей.

Жидкое трение существенно зависит от толщины слоя жидкости. При пленке в один мономолекулярный слой трение мало отличается от сухого. Если монослоев два-три , то рассеяние энергии в фононном канале уже блокировано, и основную роль играет вязкость жидкого слоя. Для более толстых пленок начинают преобладать капиллярные эффекты, в результате которых неровности соприкасающихся поверхностей притягиваются друг к другу, если их попытаться сдвинуть.

Какова зависимость силы трения от нормальной приложенной нагрузки в микротрибологии? Аналогом закона Амонтона-Кулона здесь является формула (модель) Баудена-Табора, которая записывается так:

(2)

где – касательное напряжение, – реальная площадь элементарного контакта (в отличие от геометрического контакта в макротрибологии). Эта площадь зависит от степени взаимного проминания контактирующих выступов обеих поверхностей. Как известно, площадь такого контакта дает решение задачи Герца. В результате:

(3)

где R – радиус закругления зонда, N – нормальная сила, K – эффективный модуль Юнга.

(4)

здесь E, E’ – модули Юнга, а m, m’ – коэффициенты Пуассона зонда и образца соответственно. Для кремниевых зонда и образца , , .

Видно, что зависимость силы трения от нормальной нагрузки N носит нелинейный характер. В случае наличия жидкой пленки к N необходимо прибавить адгезионный член, связанный с наличием капиллярной силы. Воcпользуемся моделью DMT:

(5)

где – коэффициент поверхностного натяжения. Эта сила дополнительно прижимает друг к другу соприкасающиеся поверхности.

Модель Баудена-Табора хорошо подтверждается на опыте. На рисунке 3 приведены экспериментальные данные [1] в вакууме (жидкая пленка и капиллярный эффект отсутствуют), на воздухе и изображена для сравнения теоретическая кривая (3).

Рис. 3.  Зависимость силы трения от нормальной силы на воздухе и в вакууме. Жирной линией изображена теоретическая зависимость по Баудену-Табору [1].

В микротрибологии часто встречается так называемый эффект прилипания-скольжения. Сила трения при движении поверхности относительно другой силы трения имеет пилообразный профиль (рис. 4), она неравномерна. Прилипнув к одной «точке» на соседней поверхности, выступу в результате адгезии, капиллярных сил и т.п. сложно оторваться от нее, для это требуется преобладающая сила. Оторвавшись, выступ перескакивает к другой такой точке, возле которой снова прилипает на некоторое время и т.д.

Эффект прилипания-скольжения существенно зависит от скорости сканирования (рис. 5). Для исследования зависимости силы трения от скорости скольжения был проведен эксперимент [1], в котором измерялась сила трения между кремниевым шариком радиусом 0.5 мм и плоской кремниевой поверхностью с шероховатостями 0.2 нм для шарика и 0.17 нм для пластины. При этом оба твердых тела были гидрофильны. При низкой скорости эффект прилипания-скольжения выражен более ярко, частота скачков меньше, а их амплитуда больше. С ростом скорости частота повышается, а амплитуда, наоборот, понижается. Существует некоторая максимальная критическая скорость скольжения, после которой эффект пропадает и сила трения становится регулярной. В эксперименте критическая скорость 0.4 мкм/с достигалась при нормальной силе придавливания, равной 70 мкН.

Рис. 4.  Зависимость силы трения от скорости скольжения [1]. В квадратиках изображено поведение силы трения при скоростях скольжения, больших и меньших критической.

Рис. 5.  Зависимость амплитуды и частоты силы трения в эффекте прилипания-скольжения от скорости сканирования [1].

На тех же образцах была изучена зависимость силы трения от температуры и влажности [1]. Сначала оба твердых тела были гидрофильны. Затем, чтобы убрать оксидную пленку и сделать их гидрофобными, в течении двух минут их травили в плавиковой кислоте HF.

Таким образом, сила трения измерялась как функция относительной влажности при различных температурах для гидрофильных и гидрофобных образцов. Температура была изменяемым параметром. Измерительную систему помещали в камеру с регулируемой влажностью и температурой. Влажность изменяли от 85% до 20%. Нормальная сила поддерживалась постоянной и была равна N = 2000 мкН. На рисунке 6 приведены экспериментальные результаты для высоких и низких температур [1].

Рис. 6.   Зависимость силы трения от влажности при разных температурах для гидрофильных и гидрофобных систем [1].

На поверхности гидрофильного образца может адсорбироваться большое количество воды. Таким образом, чем больше влажность окружающей среды, тем больше жидкости может адсорбироваться и тем больше сила трения. При росте температуры десорбция начинает превышать адсорбцию, и трение уменьшается. Чем выше температура, тем более энергетичны молекулы воды и тем легче они покидают поверхность и возвращаются к ней. Поэтому зависимость трения от влажности слабая.

Гидрофобный кремний, в отличии от гидрофильного, показывает слабую зависимость трения от влажности при любых температурах. При росте температуры трение слабо возрастает. Это означает, что в результате десорбции твердые поверхности приходят в более тесный контакт, и между ними начинают действовать силы Ван-дер-Ваальса и возникают химические связи.

Нанотрибология имеет дело со взаимодействием отдельных атомов. Представим, что поверхностный атом одной поверхности движется при скольжении в периодическом потенциале поверхностных атомов другой (рис. 7), отсутствует механизм диссипации энергии.

Рис. 7.  Слева: Потенциальная энергия и траектория зонда;
справа: Мгновенная и средняя сила трения [3].

Неконсервативность вводится следующим образом. Достигнув верхней точки потенциала, атом, который можно смоделировать подвешенным на пружинке, отрывается от контактируемой поверхности и «падает» точку минимума потенциала (или ее окрестность). Атом переходит в точку с другой энергией, то есть потенциал становится «непотенциальным». Мгновенная сила трения при этом:


(6)

Можно считать, что энергия, благодаря упругому подвесу атома, передается вглубь тела, то есть, с наноскопической точки зрения, диссипируется. Такая модель приводит к неконсервативной (в среднем) силе, показанной на рисунке 7, которая и является силой трения. Эта средняя неконсервативная сила является силой трения в микротрибологии. В качестве примера приведем результаты эксперимента [2], [4] (рис. 8) на высокоориентированном пиролитическом графите (HOPG).

а)

б)

Рис. 8.  (a) Распределение латеральных сил на высокоориентированном пиролитическом графите (ВОПГ). Эти МЛС изображения получены с помощью прибора SOLVER P47 (сканер 14 мкм x 14 мкм) на воздухе, размеры сканируемых участков составляли: (а) 7 мкм x 7 мкм; (б) 9 Å x 9 Å.

Обратим внимание, что поверхность HOPG должна быть сухой. Адсорбция воды играет значительно большую роль, чем на микромасштабе. Из-за капиллярных сил прилипание-скольжение демпфируется, что приводит к получению нерезкого изображения.


Выводы.

  • Наука о силе трения — трибология — подразделяется на макротрибологию, микротрибологию, нанотрибологию. На разных масштабах используют различные модели для описания трения.
  • Трение существенно зависит от влажности, температуры, адсорбции, других факторов и подразделяется на сухое и жидкое.
  • Основное уравнение макротрибологии — закон Амонтона-Кулона. Считается, макроскопическая площадь соприкосновения тел состоит из элементарных контактов, имеющих гораздо меньшую суммарную площадь.
  • Сухое трение в элементарном контакте описывается моделью Баудена-Табора. Она использует герцевское представление об упругой деформации в месте контакта, а в качестве параметра трения служит напряжение сдвига.
  • В жидком трении основную роль играют капиллярные силы.
  • В микротрибологии часто встречается эффект прилипания-скольжения, в результате которого сила трения непостоянна и имеет пилообразный профиль.
  • Нанотрибология описывает трение как взаимодействие атомов. Рассматривая движение атомов одного тела в потенциале атомов другого, можно ввести неконсервативную силу, описывающую трение.

Литература.

  1. Scherge Matthias, Biological micro- and nanotribology: Nature’s solutions. Springer, 2001
  2. N.P. D’Costa, J.H. Hoh, Rev. Sci.Instrum. 66 (1995) 5096-5097
  3. Wiesendanger R., Guentherodt H.-J. (eds.), Scanning tunneling microscopy. — 2d ed. 3 : Theory of STM and related scanning probe methods. 1996
  4. Bhushan B., Wear 225-229 (1999) 465-492.

Трение скольжения и трение качения

  1. Главная
  2. Физика
  3. Трение скольжения и трение качения
Елена Голец 7043

Почему вода и воздух оказывают сопротивление движению, более или менее понятно — их приходится расталкивать, чтобы проложить дорогу. Но почему так трудно тянуть гужевые сани или катить тележку? Ведь спереди им ничего не мешает, спереди у них ничего, кроме воздуха нет, воздух для медленно движущихся предметов не помеха, а двигать все-таки трудно — снизу что-то мешает.

Это «что-то» называют силами трение скольжения и трение качения. Силы трение скольжения и трение качения

Сущность трения скольжения и качения

Разгадка сущности трения скольжения и качения пришла не сразу. Ученым пришлось потрудиться, чтобы понять, в чем тут дело, и они едва не встали на ложный путь. Раньше, когда спрашивали, что такое трение, отвечали так:

— Посмотрите на свои подметки! Давно ли они были новые и крепкие, а сейчас уже заметно сносились, стали потоньше.

Были проведены опыты, которые показали, что аккуратный человек может сделать по хорошей дороге примерно миллион шагов, прежде чем его подметки проносятся насквозь. Конечно, если они из прочной, хорошей кожи. Посмотрите на ступени лестниц в каком-либо старом здании, в магазине или в театре — словом, там, где бывает много народу.

В тех местах, куда люди ступают чаще, в камне образовались углубления: шаги сотен тысяч людей стерли камень. Каждый шаг чуть-чуть разрушал его поверхность, и камень стирался, превращаясь в пыль. От трения скольжения снашиваются и подметки, и поверхность пола, по которому мы ходим. От трения качения стираются рельсы железных дорог и трамвайных путей.

Постепенно исчезает, превращается в пыль асфальт шоссейных дорог — его стирают колеса автомобилей. Резиновые шины тоже расходуются, как и резинки, которыми стирают написанное карандашом. Стирание колесами автомобилей асфальта шоссейных дорог как пример трение скольжения и качения

Неровности и шероховатости

Поверхность каждого твердого тела всегда имеет неровности и шероховатости. Зачастую они совершенно незаметны на глаз. Поверхности рельсов или полозьев саней кажутся очень гладкими и блестящими, но если посмотреть на них в микроскоп, то при большом увеличении будут видны бугры и целые горы.

Так выглядят мельчайшие неровности на «гладкой» поверхности. Неровности и шероховатости полозьев саней — причина трения качения и скольжения движущегося тела

Такие же микроскопические «Альпы» и «Карпаты» существуют и на стальном ободе колеса. Когда колесо катится по рельсам, неровности его поверхности и рельса цепляются друг за друга, происходит постепенное разрушение трущихся предметов, а движение замедляется.

Ничто в мире само собой не делается, и, чтобы производить даже ничтожнейшее разрушение поверхности стального рельса, приходится затрачивать некоторое усилие. Трение скольжения и трение качения потому и тормозит всякое движущееся тело, что ему приходится расходовать часть своей энергии на разрушение своей же поверхности.

Чтобы уменьшить износ трущихся поверхностей, их стараются делать как можно ровнее, как можно глаже, так, чтобы на них оставалось поменьше всяких шероховатостей. Одно время думали, что единственной причиной трения качения и скольжения является шероховатость поверхности.

Казалось, что трение можно совсем уничтожить, если хорошенько отшлифовать и отполировать трущиеся поверхности. Но, как выяснилось на основании весьма искусно сделанных опытов, победить трение качения и скольжения не так-то просто.

Динамометр покажет силу трения скольжения

При воспроизведении опытов Кулона, (подробнее: Виды сил трения) с трением покоя взяли стальную плиту и стальной брусок, по форме похожий на кирпич, но только не такой большой. Он прижимался к поверхности плиты силой своего веса. К бруску был приделан крючок. За крючок зацепили пружинные весы — динамометр и, потянув за кольцо динамометра, стали двигать брусок по плите.

Динамометр показывал силу тяги. Если тянуть за динамометр так, чтобы брусок двигался совершенно равномерно и прямолинейно, сила тяги будет в точности равна силе трения. Динамометр покажет величину силы трения скольжения. Она будет несколько меньше силы трения покоя, определенной Кулоном.

Но при малых скоростях скольжения эти силы можно считать равными. Так и делали: протягивали бруски по плите с определенной небольшой скоростью и замечали показания динамометра. Динамометр — показывает силу трения скольжения

Потом стали шлифовать и полировать трущиеся поверхности плиты и бруска и время от времени измеряли, как изменяется сила трения от такой обработки. Сначала все шло так, как предполагали: чем глаже и ровнее становились трущиеся поверхности, тем слабее сказывалась сила трения скольжения.

Исследователи уже подумывали, что они вскоре добьются того, что трение исчезнет совсем. Но не тут-то было! Когда полированные поверхности заблестели, как зеркальные, силы трения стали заметно возрастать. Хорошо отполированные металлические поверхности проявили склонность слипаться.

Это доказало, что силы трения скольжения — не только следствие шероховатости трущихся поверхностей, но и результат действия молекулярных сил сцепления, присущих всем веществам,— тех самых сил, которые действуют между мельчайшими частицами вещества, заставляя их прижиматься друг к другу, заставляя твердые тела сохранять свою форму, масло — приставать к металлу, клей — клеить, смолу — липнуть, ртуть — скатываться в шарики.

Эти силы сцепления между частичками вещества получили название молекулярных сил.

Рейтинг: 4,2/5 — 5 голосов

Трение скольжения: определение, формула и примеры — видео и расшифровка урока

Формула трения скольжения

Уравнение трения скольжения на плоской поверхности довольно простое — это коэффициент трения скольжения, умноженный на нормальную силу.

Формула трения скольжения

Нормальная сила сбивает Ганса с толку, пока он не понимает, что «нормальная» — это научный термин, означающий перпендикулярно поверхности или под прямым углом.Большинство книг дают уравнение на наклонной плоскости. Однако Ганс игнорирует их, поскольку все сражения происходят на плоской поверхности.

Увеличение трения скольжения

Ганс думает обо всех фактах, которые он узнал о трении скольжения, и о том, что они означают для его сражений роботов. Поскольку существует всего несколько способов увеличить трение скольжения, Ганс может улучшить своего робота только несколькими способами: утяжелить его или изменить материалы.

Добавление дополнительных колес к его роботу для увеличения тяги, что он собирался сделать, не поможет.Он также не может увеличить вес своего робота, даже если это увеличит трение скольжения. Добавление большего веса также переместит его в следующую весовую категорию, чего Ганс не хочет делать прямо сейчас.

Единственное, что он может сделать, это изменить тип шин, которые он использует. Он проведет небольшое исследование и выяснит, есть ли шины с лучшим коэффициентом трения скольжения, чем у него сейчас.

Примеры задач

Робот, которого Ганс использует в битвах, весит 25 кг, а коэффициент трения скольжения между его текущими шинами и бетоном, на котором он сражается, равен 0.6. Какая сила требуется, чтобы поддерживать движение его робота, если он уже скользил из-за маневра со стороны Хана? Используйте ускорение свободного падения как г = 9,8 м/с/с, чтобы понять это.

(9,8)(25)(0,6) = 147 ньютонов

На сколько процентов увеличилась бы эта сила, если бы он смог найти шину с коэффициентом трения скольжения 0,8 в том же сценарии? Чтобы узнать это, сначала вычислите новую силу:

(9,8)(25)(0,8) = 196 ньютонов.

Затем получите увеличение в %:

(196 — 147) / 147 = 33%

С помощью этой новой информации Ганс решает, что использовать шины с коэффициентом трения скольжения, равным 0.8 поможет его роботу не так легко помыкать, и, возможно, даже поможет его роботу выиграть больше сражений, будучи тем, кто толкает других роботов.

Краткий обзор урока

Трение скольжения , кинетическое трение или трение в движении — это сила, необходимая для удержания двух поверхностей в движении относительно друг друга. Величина этой силы зависит только от двух факторов для немикроскопических ситуаций: коэффициента трения скольжения между двумя материалами и нормальной силы.Нормальная сила — это просто сила, перпендикулярная рассматриваемым поверхностям.

Трение скольжения — GeeksforGeeks

Трение скольжения — это трение, которое воздействует на объекты, когда они скользят по поверхности. Трение скольжения слабее трения покоя. Вот почему легче двигать предмет мебели по полу после того, как вы начнете его двигать, чем заставить его двигаться с самого начала. Трение скольжения может быть полезным. Например, вы используете трение скольжения, когда пишете карандашом.Карандашный «грифель» легко скользит по бумаге, но трения между карандашом и бумагой достаточно, чтобы оставить след.

Пример: Как трение скольжения помогает вам ездить на велосипеде?

При каждом использовании тормозов велосипеда возникает трение скольжения между тормозными колодками и ободами велосипеда. Это трение замедляет катящиеся колеса, поэтому вы можете остановиться.

Еще несколько примеров трения скольжения:

  • Катание на санях
  • Толкание предмета по поверхности
  • Потирание рук (сила трения выделяет тепло.)
  • Автомобиль, скользящий по льду
  • Автомобиль, заносящий при повороте
  • Открытие окна
  • Практически любое движение, при котором происходит контакт объекта с поверхностью

Факторы, влияющие на трение скольжения

Факторы, влияющие трение скольжения можно записать в пунктах как

Поверхностная деформация объектов.

Трение существует также в жидкостях и газах. Трение в воздухе или воде меньше, чем при скольжении по твердой поверхности, такой как дорога.

Шероховатость или гладкость поверхности предметов.

Гладкие поверхности легче скользят по поверхностям по сравнению с шероховатыми. Когда вы смотрите в микроскопическом масштабе, вы можете заметить неровности на поверхности, которые мешают скольжению. Таким образом, чем больше шероховатость, тем выше трение

Исходная скорость любого объекта.

Повышение температуры поверхности приводит к постепенному уплощению выступов, что приводит к устойчивому состоянию и более высокой скорости скольжения при высокой температуре, что снижает усилие сдвига, снижает коэффициент трения и обеспечивает низкую шероховатость

Размер объект.

Вес любого объекта — это обычно наблюдаемая сила в нормальном направлении. Таким образом, трение прямо пропорционально весу объекта

Наконец, величина давления на любой объект.

Сила в нормальном направлении (перпендикулярно плоскости скольжения) увеличит взаимодействие между поверхностями, тем самым увеличивая трение. Таким образом, трение прямо пропорционально приложенной нормальной силе.

Формула трения скольжения

Уравнение для силы скольжения включает коэффициент трения скольжения, умноженный на нормальную силу.

F S = μ S FN

, где

F S = сила трения скольжения

μ S = Коэффициент трения скольжения

F n = нормальная сила

Расчет коэффициента трения

Уменьшенная перпендикулярная сила

Когда объект находится на наклонной поверхности, сила, перпендикулярная между поверхностями, уменьшается в зависимости от угла наклона .Сила, необходимая для преодоления трения (F r ), равна коэффициенту трения (μ), умноженному на косинус угла наклона (cos θ), умноженному на вес объекта (W). Существуют математические таблицы, в которых приведены значения косинусов для различных углов.

F r = μ Вт Cosθ

Гравитация способствует скольжению

Обратите внимание, что когда объект находится на уклоне, сила тяжести способствует скольжению объекта по пандусу или наклону.Назовем эту силу (F g ), и она равна весу объекта (W), умноженному на синус угла (sin θ)

F g = W sin θ

Тангенс угла определяет коэффициент

Если вы установите пандус под достаточно крутым углом, F g станет больше, чем F r , и объект будет скользить вниз по склону. Угол, под которым оно только начинает скользить, определяется из уравнения:

мкВт cos θ = W sin θ

Разделив обе части уравнения на W и cos θ, получим уравнение для статического коэффициента трения

μ = тангенс θ

, где тангенс θ — тангенс угла θ и равен .

Движение по наклонной поверхности

Наклонная плоскость — это набор задач, в котором массивный объект находится на склоне и подлежит движению только в направлении вниз по склону. Хотя гравитация тянет объект прямо вниз, наличие наклона препятствует этому. Поскольку объекты не могут перемещаться по сплошной поверхности уклона, перемещение объекта ограничено по поверхности уклона.

Например: если положить книгу на пандус и изменить угол наклона до тех пор, пока книга не начнет скользить, а затем измерить угол наклона, можно определить коэффициент трения между книгой и пандусом.Если угол был 30 градусов, то тангенс 30 градусов равен примерно 0,58. В данном случае это будет статический коэффициент трения. Даже если вы увеличите вес книги, она все равно будет скользить под углом 30 градусов.

Нормальная сила

Нормальная сила в наклонной плоскости направлена ​​не в том направлении, к которому мы привыкли. До сих пор мы всегда видели нормальную силу, направленную вверх в направлении, противоположном силе тяжести. Правда о нормальных силах заключается в том, что они не всегда направлены вверх, а скорее всегда направлены перпендикулярно поверхности, на которой находится объект.

Компоненты силы тяжести

Определить результирующую силу, действующую на объект на наклонной плоскости, сложно, поскольку две силы, действующие на тело, не направлены в противоположные стороны. Для упрощения одну из сил, действующих на объект, придется разложить на перпендикулярные составляющие, чтобы их можно было легко сложить с другими силами, действующими на объект.

Сила, направленная под углом к ​​горизонтали, разлагается на горизонтальную и вертикальную составляющие.В случае наклонных плоскостей мы разделяем весовой вектор (Fgrav) на две составляющие. Сила тяжести будет разложена на две составляющие силы – одну, направленную параллельно наклонной поверхности, и другую, направленную перпендикулярно наклонной поверхности.

На приведенной ниже диаграмме показано, как сила тяжести была заменена двумя составляющими — параллельной и перпендикулярной составляющей силы.

Из рисунка мы понимаем, что перпендикулярная составляющая силы тяжести направлена ​​в сторону, противоположную нормальной силе, уравновешивая нормальную силу.

Параллельная составляющая силы тяжести не уравновешивается какой-либо другой силой. Впоследствии объект будет ускоряться вниз по наклонной плоскости из-за наличия неуравновешенной силы. Именно параллельная составляющая силы тяжести вызывает это ускорение. Параллельная составляющая силы тяжести является результирующей силой.

Примеры трения при скольжении

  1. Потирание рук друг о друга для создания тепла.
  2. Ребенок скатывается с горки в парке.
  3. Подставка, скользящая по столу.
  4. Стиральную машину толкнули вместе с полом.
  5. Рама и край двери скользят друг относительно друга.
  6. Блок скользит по полу.
  7. Две карты в колоде скользят друг против друга.

Скольжение может происходить между двумя объектами произвольной формы, тогда как трение качения представляет собой силу трения, связанную с вращательным движением. Трение качения обычно меньше, чем трение, связанное с кинетическим трением скольжения.Значения коэффициента трения качения значительно меньше коэффициента трения скольжения. Обычно он производит более сильные звуковые и тепловые побочные продукты.

Пример: Движение тормозных шин автомобиля по проезжей части.

Примеры задач на трение при скольжении

Вопрос 1. На диаграмме свободного тела показаны силы, действующие на 100-килограммовый ящик, скользящий по наклонной плоскости. Плоскость наклонена под углом 30 градусов. Коэффициент трения между обрешеткой и наклоном равен 0.3. Определите результирующую силу и ускорение ящика.

Решение:

Сила тяжести в данной задаче может быть рассчитана как:

F = 9,8 × 100 = 980 Н

F параллельно = 980 × sin30° = 490 Н

F перпендикулярно = 980 × cos30° = 849 Н

Поскольку перпендикулярная компонента вектора веса уравновешивает нормальную силу, значение вектора веса равно 849 Н

Значение силы трения можно определить путем умножения значения нормальной силы на коэффициент трения.

F норма = 0,3 × 849 = 255 Н

Чистая сила представляет собой векторную сумму всех сил, действующих на тело.

Чистая сила может быть рассчитана следующим образом:

490 Н – 255 Н = 235 Н

Ускорение рассчитывается следующим образом:

нормальная приложенная сила равна 200 Н. Найдите силу трения скольжения.

Решение:

N = 200 N

μ = 0.5

F= мкм × Н

F = 0,5 × 200 Н = 100 Н

Таким образом, трение скольжения, приложенное к телу, равно 100 Н.

Вопрос 3. От чего зависит трение скольжения?

Ответ:

Трение скольжения зависит только от двух переменных: рассматриваемых материалов и веса объекта.

Изменение площади контактной поверхности не влияет на трение скольжения. Трение скольжения для большинства материалов меньше, чем трение покоя.

Вопрос 4: Каковы некоторые примеры трения скольжения?

Ответ:

Примеры трения скольжения

1. Катание на санях.

2. Толкание предмета по поверхности.

3. Потирание рук (Сила трения выделяет тепло.)

4. Автомобиль скользит по льду.

5. Автомобиль заносит на повороте.

6. Открытие окна.

7. Почти любое движение, при котором есть контакт между объектом и поверхностью.

Вопрос 5. Является ли трение скольжения постоянным?

Ответ:

Хотя это может показаться нелогичным, коэффициент трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей при условии, что нормальная сила постоянна. Это справедливо только тогда, когда поверхности твердые и не смазанные.

Вопрос 6. Что меньше трения скольжения или трения покоя?

Ответ:

Трение между двумя поверхностями происходит из-за блокировки неровностей двух поверхностей.

Во время скольжения контактные точки не получают достаточно времени для правильной блокировки. Следовательно, создается меньшее трение, чем статическое трение. Это объясняет, почему трение скольжения меньше, чем трение покоя.


Трение скольжения. Что такое трение скольжения, определение и примеры

Трение скольжения можно понимать как силу сопротивления, возникающую между любыми двумя телами при скольжении друг относительно друга. Это трение также называется кинетическим трением и определяется как сила, необходимая для поддержания скольжения поверхности по другой поверхности.Он зависит от двух переменных: одна — материал или вещь, а другая — вес и размер объекта. Любое изменение площади контактной поверхности не влияет на трение скольжения. В большинстве материалов трение скольжения намного меньше, чем трение покоя.

                                        Image: Трение скольжения

Скольжение может происходить между двумя объектами случайной формы, тогда как трение качения – это сила трения, связанная с вращательным движением дискообразного или любого другого круглого объекта вдоль поверхности.Обычно сила трения при трении качения намного меньше, чем при кинетическом трении скольжения. Обычные значения коэффициента трения качения меньше коэффициента трения скольжения. Точно так же трение скольжения обычно производит больше звуковых и больше тепловых побочных продуктов.

Одним из примеров является торможение автомобильных шин на проезжей части, процесс, при котором выделяется значительное количество тепла и звука, и его учитывают при измерении величины шумового загрязнения проезжей части. Мы можем взять простой пример, когда мы останавливаем нашу машину на знаке «Стоп», затем она замедляется из-за трения между примененными тормозами и колесами.Таким образом, сила, действующая в противоположном направлении, в котором тело хочет скользить, называется трением скольжения. Некоторые ключевые категории трения — это трение качения, скольжения, статическое трение, жидкостное трение. Здесь мы обсудим трение скольжения или кинетическое трение, его коэффициент, с помощью которого оно измеряется, и его примеры.


Трение скольжения Определение

Сила трения, противодействующая реальному относительному движению скольжения между двумя контактными поверхностями, называется трением скольжения или кинетическим трением.Начнем с изучения сил трения с простого понимания. Предположим, что на столе лежит металлический блок, слабая сила не может привести металлический блок в движение. По мере того, как вы постепенно увеличиваете силу, с определенной силой, металлический блок начинает двигаться. Управляющее значение силы, при которой металлический блок начинает двигаться, такое же, как и сила сопротивления, создаваемая металлическим блоком в статической форме. Следовательно, эта сила сопротивления называется статическим трением. Продолжение эксперимента, дальнейшее увеличение силы заставляет металлический блок двигаться.Но даже после того, как металлический блок начал двигаться, он по-прежнему создает силу сопротивления, пытающуюся противодействовать движению. Он определяется как «трение скольжения». Из того, что мы назвали до сих пор, ясно, что трение скольжения меньше, чем трение покоя.

Сила трения скольжения прямо пропорциональна весу, действующему в направлении нормали к поверхности. В частном случае, если поверхность, по которой скользит тело, горизонтальна, то нормальная сила соответствует весу тела.

  


Формула трения скольжения

Уравнение для силы скольжения содержит коэффициент трения скольжения, умноженный на нормальную силу.

F\[_{s}\] = \[\mu _{s}\] \[F_{n}\]

Где,

F\[_{s}\] = сила трения скольжения

\[\mu _{s}\] = коэффициент трения скольжения

\[F_{n}\] = нормальная сила


Движение в условиях трения скольжения

Движение в условиях трения скольжения можно показать системы движения) по второму закону Ньютона

∑ F= ma 

\[F_{E}\] – \[F_{K}\] = ma

Где \[F_{E}\] — внешняя сила .

  • Ускорение происходит, когда внешняя сила превышает силу кинетического трения.

  • Замедление (или остановка) происходит, когда сила кинетического трения превышает силу внешней силы.

  • Этому также следует первый закон движения Ньютона, поскольку на объект действует результирующая сила.

  • Постоянная скорость имеет место, когда на объект не действует результирующая сила, то есть внешняя сила равна силе кинетического трения

Движение по наклонной плоскости он скользит вверх или вниз по наклонной плоскости.Это показано на диаграмме свободного тела ниже

.

Компонент силы тяжести в направлении наклона показан как:

\[F_{g}\] = mg sin

Нормальная сила (перпендикулярная поверхности) показана как.

N= mg  cos

Следовательно, поскольку сила трения сопротивляется движению бруска

\[F_{k}\] = \[\mu _{k}\] · mg cos

Найти коэффициент кинетического трения на наклонной плоскости, надо видеть, что момент, когда сила параллельна плоскости, такой же, как сила, перпендикулярная; это происходит, когда объект движется с постоянной скоростью под некоторым углом g}\] or = \[\mu _{k}\] · mg cos= mg sin

 \[\mu _{k}\] = tan

Понимание трения скольжения

Трение скольжения, создаваемое или создаваемое объектами называется коэффициентом, учитывающим несколько факторов, влияющих на уровень трения.Эти несколько факторов, которые могут повлиять на трение скольжения, включают следующее:

• Деформация поверхности объектов.

• Шероховатость или гладкость поверхности.

• Исходная скорость любого объекта.

• Размер и форма объекта.

• Величина давления на любой объект.

• Сила сцепления с поверхностью.

Характеристики трения скольжения

Ранее мы уже объясняли, что в общем случае трение скольжения всегда меньше, чем трение покоя для одного и того же набора тел и движения поверхности.Это также приводит к другому выводу, что сила трения всегда зависит от природы материала предмета и поверхности. Как уже объяснялось ранее, сила скольжения пропорциональна нормальной силе, что означает нагрузку на объект. В ходе экспериментов мы выяснили в предыдущем разделе, что величина трения скольжения будет одинаковой, даже если вы поменяете сторону блока, лежащего на столе. Следовательно, при равной массе трение скольжения не имеет площади контакта.Трение скольжения также не зависит от скорости движения.

Коэффициент трения скольжения

Мы дали общее определение, что сила трения F, воспринимаемая объектом, прямо пропорциональна нормальной силе N, действующей на него. То есть

F=µNF

Где µ — постоянная, она называется коэффициентом трения. Ясно, что это отношение двух сил, и поэтому оно не имеет размеров. Если трение является статическим, то коэффициент трения называется коэффициентом трения покоя и обозначается µs, а для трения скольжения та же константа известна как коэффициент трения скольжения и обозначается µk.Нижний индекс «k» используется для обозначения «кинетического». Тогда трение скольжения всегда меньше, чем трение покоя, и поэтому  \[\mu _{k}\] < \[\mu _{s}\].

Примеры трения скольжения

Не существует различных примеров трения скольжения, поскольку степень трения скольжения обширна. Трение скольжения между двумя поверхностями производит тепло из-за молекулярного взаимодействия. Количество выделяемого тепла зависит от материалов поверхностей и иногда может превращаться в огонь. Зажигание спички — выдающийся пример из современной жизни.Люди каменного века использовали два камня для зажигания. Из-за высокой степени силы трения при трении скольжения предпочитают ставить предмет на колесо и транспортировать его вместо того, чтобы толкать, потому что результат трения качения намного меньше, чем результат трения скольжения. Значения коэффициента трения качения значительно меньше, чем коэффициента трения скольжения.

Представьте себе автомобиль, припаркованный на наклонной плоскости с меньшим уклоном. При отсутствии трения скольжения колеса автомобиля начнут вращаться и начнут движение.По этой причине на крутых подъемах при парковке используются ручные тормоза, а в худших случаях за колесами кладут тяжелые камни. Трение скольжения из-за значительного уровня в некоторой степени полезно в реальной жизни.

Несколько примеров, таких как трение скольжения

• Толкание тяжелого и крупного предмета, такого как лом

• Перемещение веса на пандусах

В статье обсуждается вся необходимая информация, связанная с трением скольжения, такая как его определение, формула и движение на различных типах поверхностей и характеристиках трения скольжения и т. д.

Трение скольжения, Рон Куртус

SfC Home > Физика > Сила > Трение >

Рон Куртус

Наиболее распространенный тип трения трение скольжения . Это сопротивление движению при попытке переместить или сдвинуть твердый объект по поверхности другого твердого объекта .

Когда внешняя сила, толкающая объект, недостаточно велика, чтобы вызвать движение, сопротивление называется статическим трением скольжения .Когда объекты находятся в движении относительно друг друга, сопротивление называется кинетическим или динамическим трением скольжения .

Между статическим трением скольжения и динамическим трением скольжения является переходная фаза трения скольжения .

Интересно, что статический коэффициент трения скольжения больше, чем кинетический коэффициент, и, таким образом, требуется больше силы, чтобы начать движение объекта, чем требуется для поддержания его движения.

Возможные вопросы:

  • Что такое уравнение трения скольжения?
  • Что такое статическое трение скольжения?
  • Что происходит в переходной фазе трения скольжения
  • Какое кинетическое трение скольжения?

Этот урок ответит на эти вопросы. Полезный инструмент: Преобразование единиц измерения



Уравнение трения скольжения

Уравнение для трения скольжения (в отличие от трения качения или жидкостного трения):

F f = мкН

где:

  • F f сила сопротивления трения
  • μ — коэффициент трения двух поверхностей (греческая буква «мю»)
  • Н — нормальная или перпендикулярная сила, сталкивающая два объекта вместе
  • мкН равно мкН раз Н

F f и N измеряются в единицах силы, которые являются фунтами или ньютонами.

Для скольжения объекта по поверхности требуется внешняя сила, превышающая силу трения.

Статическое трение скольжения

Когда внешняя сила, толкающая объект, недостаточно велика, чтобы заставить его скользить, сопротивление называется статическим трением скольжения . Другими словами, объект не будет двигаться, когда:

F e < F сс

где

  • F e — внешняя сила, параллельная поверхности скольжения
  • < означает «меньше»
  • F ss — сила сопротивления статического трения скольжения

Статическое уравнение трения скольжения

Уравнение статического трения скольжения:

F нержавеющая сталь = μ нержавеющая сталь N

где:

  • F ss сила сопротивления трения скольжения
  • μ ss — коэффициент трения скольжения для двух поверхностей (греческая буква «мю»)
  • Н — нормальная или перпендикулярная сила, сталкивающая два объекта вместе

Переходная фаза

Когда внешняя сила равна статическому сопротивлению трения скольжения ( F e = F ss ), объект может оторваться и начать движение.Статическое трение становится кинетическим или динамическим трением скольжения, которое, как ни странно, имеет более низкий коэффициент трения.

Этот переход от статического к кинетическому происходит быстро, но не мгновенно.

Поскольку кинетическое трение скольжения меньше статического трения, внешняя сила больше кинетического трения.

Кинетическое трение скольжения

Когда объект скользит по поверхности, сопротивление называется кинетическим или динамическим трением скольжения .

Кинетическое уравнение трения скольжения

Кинетическое уравнение трения скольжения:

F кс = μ кс N

где:

  • F ks – кинетическая сила сопротивления скольжению трения
  • μ ks — кинетический коэффициент трения скольжения для двух поверхностей (греческая буква «мю»)

Коэффициенты трения разные

Кинетический коэффициент трения скольжения меньше, чем коэффициент трения, когда объект неподвижен или статичен.

мк кс < мк сс

Это означает, что легче сдвинуть движущийся объект, чем заставить его начать двигаться.

Связь с внешней силой на скользящем объекте

Если на объект действует внешняя сила, он может ускоряться, сохранять постоянную скорость или замедляться в зависимости от силы внешней силы.

(Дополнительную информацию см. в разделах «Внешняя сила» и «Кинетическое трение при скольжении».)

Ускорение

Когда внешняя сила превышает кинетическое трение скольжения, объект ускоряется. Это тот случай, когда стационарный объект переходит из режима статического скольжения в режим кинетического скольжения.

Постоянная скорость

Если внешняя сила равна кинетическому трению скольжения, объект будет продолжать скользить с постоянной скоростью.

Замедление и остановка

Если внешняя сила меньше кинетического трения скольжения или уменьшена до нуля, объект замедлится и в конечном итоге перестанет двигаться.

Резюме

Скольжение объекта по поверхности другого объекта приводит к трению скольжения. Когда сопротивление скольжению больше, чем сила, толкающая объект, такое трение называется статическим. Когда внешняя сила равна статическому трению скольжения, объект начинает двигаться и переходит из статического состояния в кинетическое. Когда объект скользит, сопротивление называется кинетическим трением.

Внешняя сила, действующая на объект, может заставить его ускоряться, сохранять постоянную скорость или замедляться в зависимости от силы внешней силы.


Помогите улучшить жизнь других


Ресурсы и ссылки

Полномочия Рона Куртуса

веб-сайтов

Ресурсы трения — Расширенный список

Концепции трения — HyperPhysics

Книги

(Примечание: Школа чемпионов может получать комиссионные за покупку книг)

Лучшие книги по науке о трении

Лучшие книги по экспериментам с трением


Поделиться этой страницей

Нажмите кнопку, чтобы добавить эту страницу в закладки или поделиться ею через Twitter, Facebook, электронную почту или другие службы:


Студенты и исследователи

Веб-адрес этой страницы:
www.school-for-champions.com/science/
трение_sliding.htm
.

Разместите его в качестве ссылки на своем веб-сайте или в качестве ссылки в своем отчете, документе или диссертации.

Copyright © Ограничения


Где ты сейчас?

Школа Чемпионов

Темы трения

Трение скольжения

Трение скольжения — обзор

16.6 Вязкость

По определению, жидкость не может выдерживать касательное напряжение (раздел 16.1). Тем не менее, жидкости сопротивляются сдвиговым движениям. Свойство жидкости, которое измеряет ее сопротивление сдвиговым движениям, называется вязкостью .

Вязкость — это флюидный аналог модуля сдвига для упругого твердого тела (раздел 15.6). Вспомните наше обсуждение отношения напряжения сдвига к деформации для твердого тела. Мы можем думать о твердом теле как о наборе смежных слоев. Из нашего обсуждения отношения напряжения сдвига к деформации твердого тела (раздел 15.2) вы можете вспомнить, что касательное напряжение вызывает относительное смещение этих слоев (см. рис. 16.17).

Рисунок 16.17. В твердом теле напряжение сдвига приводит к относительному смещению соседних слоев твердого тела. Деформация dx/dy ≈ θ является мерой искажения, вызванного напряжением

На рис. 16.18 показана аналогичная ситуация для жидкости. Касательное напряжение (F/A) приводит жидкость в движение и вызывает относительное движение 90 862 90 863 слоев жидкости.Относительное смещение соседних слоев неограниченно увеличивается и не является подходящей величиной для описания сдвиговых эффектов в жидкости. Вместо этого мы используем относительную скорость соседних слоев жидкости. Относительная скорость слоев жидкости может быть выведена из профиля скорости , графика или уравнения, которое связывает скорость жидкости с положением. На рисунках 16.19а и 16.19б показаны профили скорости, типичные для потока в трубе и потока в открытом русле (например, в реке).Если два слоя, разделенные расстоянием ду , имеют скорости u и u + ду , их относительная скорость равна ду . Скорость штамма определяется как du/dy . Величину du/dy часто называют градиентом скорости ; измеряет изменение скорости потока в зависимости от положения. Геометрически du/dy — это наклон профиля скорости. В упругом твердом теле отношение (напряжение сдвига/деформация сдвига) определяется как модуль сдвига (раздел 15.2):

Рисунок 16.18. В жидкости касательное напряжение заставляет соседние слои находиться в относительном движении. Скорость деформации, du/dy , является мерой искажения, вызванного напряжением

Рис. 16.19a. Профиль скорости для трубы радиусом R . Скорость жидкости равна нулю у стенки и возрастает до максимума вдоль центральной оси.

Рисунок 16.19б. Профиль скорости для открытого русла глубиной ч . Скорость потока равна нулю на дне канала и достигает максимума на поверхности.Наклон du/dy представляет собой скорость деформации жидкости.

(15.26)µ=сдвиг напряжениесдвиг деформация=F/Aθ

Для малых деформаций θ≃dx/dy и

µ=F/Adx/dy

В жидкостях аналогом модуля сдвига для твердых тел является отношение напряжения сдвига к скорости деформации. Это отношение (η) называется динамической вязкостью или просто вязкостью:

(16,21)η=скорость напряжения деформации сдвига F/Adu/dy

В уравнении 16.21, F/A — напряжение сдвига между слоями жидкости, которое создает скорость деформации du/dy .Мы можем переписать уравнение 16.21 для отображения динамической вязкости как коэффициента пропорциональности, связывающего напряжение сдвига и скорость деформации

(16.22)FA=ηdudy

Единицей вязкости в системе СИ является (Н · с/м 2 ). Эта единица страдает от того, что у нее нет имени. Единицей вязкости в сгс является дина · с/см 2 , и она называется пуаз:

1 пуаз=1 дин⋅с/см2

Сантипуаз составляет одну сотую пуаза. Мы можем убедиться, что 1 дин/см 2 = 0.1 Н/м 2 , так что

1 пуаз=0,1 Н⋅с/м2

Вязкость жидкостей и газов обычно различается примерно в 100 раз. Например, вязкости воды и воздуха при 20° C составляет 1,0 сантипуаз (сП) и 1,8 × 10 -2 сантипуаз соответственно. Таблица 16.1 содержит список вязкостей для нескольких жидкостей при 20°C. Имейте в виду, что обычно вязкость уменьшается с повышением температуры жидкости.

Таблица 16.1. Висистости выбранных жидкостей *

6

9001 1,34 × 10
жидкость динамическая вязкость (η) (N · S / M 2 ) Кинематическая вязкость ( V ) (M 2 / S)
Жидкости
Бензол 6.6 × 10 -4 7.5 × 10
2,9 × 10 4,30939
реактивное топливо (JP-4) 8,7 × 10 -4 1,1 × 10 9
сырая нефть 7.2 × 10 80939
Вода 1.0 × 10 −3 1,0 × 10 −6
Глицерин 1.5 1.2 × 10 -3 9
0,90 × 10 1.1 × 10
гелий 1.97 × 10 -5 1,2 × 10 9009 9001
9 2,0 × 10 9
Air 1.81 × 10 — 5 1.5 × 10 -5
2,01 × 10 2,01 × 10 9 9
углекислый диоксид 1.47 × 10 0,80 × 10 −5

Вязкая сила F в уравнении. 16.21 — жидкий аналог силы трения скольжения между двумя твердыми поверхностями. По этой причине вязкость часто называют трением жидкости . Как и другие силы трения, силы вязкости противодействуют относительному движению соседних слоев жидкости.В то время как силы твердого трения приблизительно не зависят от скорости, силы вязкости увеличиваются со скоростью, как показано в примере 8. сила вязкости, создаваемая тонкой пленкой масла (рис. 16.20). Какова предельная скорость пластины, если предположить, что скорость деформации du/dy постоянна по толщине пленки? Плоскость наклонена под углом 30° к горизонту.Пластина весит 0,5 Н, а площадь ее контакта с маслом составляет 0,02 м 2 . Вязкость масла 0,05 Н·с/м 2 , толщина пленки 0,2 мм.

Рисунок 16.20. Металлическая пластина скользит вниз по склону, достигая предельной скорости

Масло, соприкасающееся с уклоном, находится в состоянии покоя. Скорость жидкости увеличивается поперек пленки, достигая максимума ν на поверхности, контактирующей с пластиной. Скорость, с которой движется пластина, является максимальной скоростью жидкости (ν).При постоянной скорости деформации

dudy=υh

, где h , толщина пленки 2 мм. Эта сила вязкости равна

Fvis=ηυhA

Обратите внимание, что сила вязкости увеличивается с увеличением скорости пластины. Скорость пластины увеличивается до тех пор, пока F vis не станет равной W sin 30°, составляющая веса, действующая вдоль поверхности. Когда F vis = W sin 30°, результирующая внешняя сила, действующая параллельно поверхности, равна нулю, и тогда пластина движется с постоянной скоростью.Принимая

Fvis=ηυhA=W sin 30°

, получаем

υ=hW sin 30°ηA

Подставляя численные значения, получаем

υ=0,5(0,5Н(2×10−4м)(0,05Н⋅)⋅ (0,02 м2)=0,05  м/с

Вязкость часто называют абсолютной или динамической вязкостью, чтобы отличить ее от родственной величины, кинематической вязкости . Кинематическая вязкость ν определяется как отношение динамической вязкости к массовой плотности,

(16,23)v≡ηρ

И ν, и η измеряют сопротивление сдвиговым движениям.Кинематическая вязкость введена потому, что во многих приложениях именно отношение η/ρ, а не только η, определяет важность сил вязкости. Единицей кинематической вязкости в сгс является сток:

1 сток = 1 см2/с

Кинематическая вязкость η/ρ имеет множество применений. Мы встретимся с одним из таких приложений в следующем разделе, где мы будем изучать турбулентность жидкости.

Молекулярное происхождение вязкости

Происхождение силы сдвига в жидкости не сразу очевидно.Почему должна существовать сдвигающая сила между двумя слоями жидкости, находящимися в относительном движении? На самом деле существует два источника вязких сил. На этот факт указывает наблюдение, что вязкость жидкости уменьшается при повышении температуры, тогда как вязкость газа увеличивается при повышении его температуры. В жидкостях вязкость возникает из-за сил сцепления между молекулами в соседних слоях. Вязкая сила возникает из-за того, что силы притяжения между молекулами стремятся предотвратить относительное движение молекул.В газах с низкой плотностью силы сцепления вносят лишь незначительный вклад в вязкость. Молекулы широко разнесены и обладают очень слабыми силами притяжения, а за вязкость отвечает другой механизм. В газе происходит постоянный обмен молекулами между соседними слоями. Если молекулы массой 90 862 м 90 863 перемещаются между слоями, где скорости потоков равны 90 862 х 90 863 и 90 862 х 90 863 + 90 862 ду 90 863, то будет иметь место чистая передача импульса от более быстрого слоя к более медленному слою.Более медленный слой ускоряется — он получает · импульс + м du , когда ловит молекулу из более быстрого слоя. Более быстрый слой получает отрицательный импульс, — м ду , в торговле. В целом передача импульса имеет тенденцию уменьшать относительную скорость слоев. На макроскопическом уровне эта передача импульса представляет собой вязкую силу, противодействующую относительному движению.

Трение скольжения – обзор

10.7 Описание SFM

Биомиметическая мышца SFM была разработана путем имитации биологической скелетной мышечной ткани путем создания силы путем прижатия пары фрикционных накладок к однонаправленной непрерывно движущейся поверхности, такой как тормозной диск (рис. 10.22). Этот тормозной диск можно увидеть на изображении SFM (рис. 10.23), представляющего собой пробную версию устройства. Обратите внимание, что фрикционные накладки закреплены на противоположных сторонах вращающейся поверхности и в противоположных направлениях парой встроенных сервоприводов Futaba.

Рисунок 10.22. Принцип создания сократительной силы мышц за счет зажатых фрикционных подушечек, имитирующих головки миозина, взаимодействующие с тонкими филаментами актина.

Рисунок 10.23. Скользящий фрикционный механизм экспериментального аппарата.

Сила создается за счет силы трения скольжения между непрерывно вращающейся поверхностью и фрикционными накладками. Миллионы и, возможно, миллиарды выступающих областей трения скольжения крошечного размера, которые находятся в скользящем контакте с беговой поверхностью и фрикционными подушечками, можно рассматривать как имитирующие миллионы и, возможно, миллиарды миозиновых шагающих головок скользящих нитей, которые существуют в скелетных мышцах. Как мельчайшие области трения, так и миозиновые головки миозиновых головок производят случайно приложенные импульсы силы длительностью в наноньютон-секунду, которые при суммировании создают плавную, малошумную, высокоэффективную силу за каждую секунду, в течение которой они работают.

Фрикционные колодки, такие как автомобильные или велосипедные дисковые тормозные колодки, выбраны потому, что они (i) способны создавать очень большие тормозные силы, (ii) малы и легки, (iii) имеют низкую стоимость и (iv) способны долгий срок службы, предназначенный для этого приложения. Примем постоянный коэффициент трения, не зависящий от скорости скольжения, между вращающейся поверхностью и фрикционными накладками, равный коэффициенту кинетического трения. Мы используем кинетический коэффициент трения, устраивая однонаправленную беговую поверхность так, чтобы она всегда работала быстрее, чем скорость колодки.Потери энергии при нагреве сводятся к минимуму за счет того, что скорость скольжения поддерживается на как можно более низком уровне. Вращающаяся поверхность движется только в одном направлении, т. Е. Однонаправлена; он не меняет направление. Тем не менее, он может изменить свою поверхностную скорость. Сила, которая представляет силу сокращения мышц, извлекается из легких фрикционных накладок, которые могут свободно вращаться независимо вокруг оси вращающегося диска, таким образом обеспечивая силу, не зависящую от положения, скорости и ускорения фрикционных накладок.Непрерывно вращающаяся поверхность обеспечивает источник, из которого снимается сила. Сила от фрикционных накладок непрерывно изменяется от нуля до максимальной силы, действующей на постоянно вращающуюся поверхность. Сила варьируется за счет изменения силы зажима колодки. Поскольку вращающаяся поверхность является однонаправленной, сила фрикционной подушки также будет однонаправленной и, таким образом, будет имитировать скелетную мышцу. Сила зажима может быть уменьшена до нуля, так что нет контакта между фрикционными подушечками и вращающейся поверхностью, что имитирует полное втягивание головок миозина (рис. 10.5).

Скорость непрерывно вращающейся поверхности должна быть больше или немного больше, чем максимальная скорость фрикционных накладок, соединенных с телескопическим ползунком. Таким образом, между фрикционными накладками и вращающейся поверхностью всегда будет происходить проскальзывание. Если всегда есть проскальзывание, то сократительная сила трения, обеспечиваемая фрикционными накладками, зависит от постоянного коэффициента трения, который является коэффициентом кинетического трения. Следовательно, сила сократительной фрикционной накладки будет прямо пропорциональна силе прижима.Таким образом, сократительная сила фрикционной накладки, которая представляет сократительную силу мышцы, может точно контролироваться путем точного управления силой зажима фрикционной накладки. Проскальзывание, возникающее между фрикционными накладками и вращающейся поверхностью, означает потерю энергии, которая проявляется в виде рассеивания тепла между фрикционными накладками и вращающейся поверхностью. Должна использоваться система управления для ограничения величины проскальзывания до минимума, чтобы свести к минимуму потери энергии. Биологические мышцы также имеют эту скользящую потерю энергии, которая проявляется в том, что мышцы нагреваются, даже если конечность не двигается, но поддерживает вес; любой, кто занимается йогой или пилатесом, хорошо это знает.Эта потеря энергии представляется естественным законом неизбежной платы за получение свойства сверхнизкого выходного импеданса, создаваемого пассивно.

SFM решает проблему, связанную с потерей энергии, вызванной изменением направления вращения электродвигателя/редуктора, а также решает проблему достижения низкой колеблющейся массы. Во-первых, электродвигатель/редуктор продолжает вращаться только в одном направлении, а во-вторых, высокая инерция двигателя/редуктора не видна движущейся конечности или движущимся частям мышцы.На самом деле, относительно высокая кинетическая энергия двигателя/редуктора является преимуществом, поскольку она уменьшает колебания скорости вращающейся поверхности, когда фрикционные накладки извлекают из нее периодические импульсы. Подвижная масса, которая связана с конечностью, мала, поскольку она равна массе зажимной системы фрикционных накладок, которую можно сделать малой величиной.

Следует также отметить, что SFM способен поглощать ударные нагрузки без повреждения двигателя. Это происходит из-за того, что максимальное усилие зажима, прикладываемое к фрикционным накладкам, намеренно ограничено таким образом, чтобы максимальное сжимающее усилие оставалось безопасно меньшим, чем усилие, которое может повредить зубья редуктора двигателя или вращающуюся поверхность.

SFM, хотя и не страдает от того, что двигатель/редуктор должны менять направление, но имеет недостаток, заключающийся в том, что для приведения в действие одной конечности требуется пара искусственных мышц. Фактически, в этом заключается дуализм: либо две отдельные однонаправленные мышцы для приведения в действие одной конечности, либо одна двунаправленная мышца для приведения в действие одной конечности. Недостатком использования двух однонаправленных искусственных мышц является то, что вес и стоимость будут выше, чем у одной двунаправленной мышцы.Этот недостаток должен быть преодолен будущими исследованиями и разработками.

Что касается стоимости, SFM будет стимулировать разработку производственного процесса, который должен сделать пару однонаправленных приводов не дороже, чем один двунаправленный привод. В любом случае, если устройство решает сложную задачу, то стоимость не имеет первостепенного значения. Также следует уточнить, что однонаправленные мышцы SFM работают взаимозависимо, что означает, что обе мышцы могут активироваться одновременно, так что одна взаимно подавляет силу другой.Важно отметить высокую скорость реакции СФМ. Высокая скорость однонаправленной и двунаправленной силовой реакции этого устройства вместе с широкой полосой частот амплитуды являются двумя его ключевыми преимуществами. Это связано с легкими направляющими и быстродействием сервоприводов Futaba BLS172hv с фрикционными накладками. Кроме того, когда пара мышц используется для создания колебаний и/или реверсирования в конечности робота, это устройство может превзойти уровень техники.

Трение скольжения: определение, коэффициент, формула (с примерами)

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Автор: GAYLE TOWELL

поверхности движутся относительно друг друга. Напротив, статическое трение представляет собой тип силы трения между двумя поверхностями, которые толкают друг друга, но не скользят друг относительно друга. (Представьте, что вы толкаете стул до того, как он начнет скользить по полу.Сила, которую вы прикладываете до начала скольжения, противостоит трению покоя.)

Трение скольжения обычно вызывает меньшее сопротивление, чем трение покоя, поэтому вам часто приходится давить сильнее, чтобы объект начал скользить, чем для того, чтобы он продолжал скользить. Величина силы трения прямо пропорциональна величине нормальной силы. Напомним, что нормальная сила — это сила, перпендикулярная поверхности, которая противодействует любым другим силам, приложенным в этом направлении.

Константа пропорциональности представляет собой безразмерную величину, называемую коэффициентом трения, и она изменяется в зависимости от соприкасающихся поверхностей. (Значения этого коэффициента обычно можно найти в таблицах.) Коэффициент трения обычно обозначается греческой буквой μ с нижним индексом k , указывающим на кинетическое трение. Формула силы трения имеет вид:

F_f=\mu_kF_N

Где ​ F N ​ — величина нормальной силы, единицы измерения в ньютонах (Н), а направление этой силы противоположно направление движения.

Трение качения Определение

Сопротивление качению иногда называют трением качения, хотя это не совсем сила трения, поскольку оно не является результатом двух соприкасающихся поверхностей, пытающихся толкнуть друг друга. Это сила сопротивления, возникающая в результате потери энергии из-за деформации объекта качения и поверхности.

Однако, как и в случае с силами трения, величина силы сопротивления качению прямо пропорциональна величине нормальной силы с константой пропорциональности, зависящей от контактирующих поверхностей.Хотя для коэффициента иногда используется μ r , чаще используется C rr , что делает уравнение для величины сопротивления качению следующим:

F_r=C_{rr} F_N

Эта сила действует против направления движения.

Примеры трения скольжения и сопротивления качению

Давайте рассмотрим пример трения с использованием динамической тележки, находящейся в типичном классе физики, и сравним ускорение, с которым она движется по металлической дорожке, наклоненной под углом 20 градусов, для трех различных сценариев:

Сценарий 1: ​ На тележку не действуют силы трения или сопротивления, поскольку она свободно катится без проскальзывания по рельсам.

Сначала мы рисуем диаграмму свободного тела. Сила тяжести, направленная прямо вниз, и нормальная сила, направленная перпендикулярно поверхности, являются единственными действующими силами.

Уравнения результирующей силы:

F_{netx}=F_g\sin{\theta}=ma\\ F_{nety}=F_N-F_g\cos(\theta)=0

Сразу же мы можем решить первое уравнение для ускорения и подставьте значения, чтобы получить ответ:

F_g\sin{\theta}=ma\\ \подразумевает mg\sin(\theta)=ma\\ \подразумевает a=g\sin(\theta) =9.2}

Сценарий 2: ​ Сопротивление качению действует на тележку, так как она свободно катится без проскальзывания по рельсам.

Здесь мы примем коэффициент сопротивления качению равным 0,0065, что основано на примере, найденном в документе Военно-морской академии США.

Теперь наша диаграмма свободного тела включает сопротивление качению, действующее вверх по дорожке. Наши уравнения результирующей силы примут вид: можно решить для F N , подставить результат в выражение для трения в первом уравнении и решить для a ​:

F_N-F_g\cos(\theta)=0\имплицит F_N =F_g\cos(\theta)\\ F_g\sin(\theta)-C_{rr}F_N=F_g\sin(\theta)-C_{rr}F_g\cos(\theta)=ma\\ \имплицит \ отменить mg\sin(\theta)-C_{rr}\cancel mg\cos(\theta)=\cancel ma\\ \ подразумевает a=g(\sin(\theta)-C_{rr}\cos(\theta) ))=9.2}

Сценарий 3: ​ Колеса тележки заблокированы, и она скользит по рельсам, сдерживаемая кинетическим трением.

Здесь мы будем использовать коэффициент кинетического трения 0,2, который находится в середине диапазона значений, обычно приводимых для пластика по металлу.

Наша диаграмма свободного тела очень похожа на случай сопротивления качению, за исключением того, что это сила трения скольжения, действующая вверх по пандусу. Наши уравнения результирующей силы принимают вид:

F_{netx}=F_g\sin{\theta}-F_k=ma\\ F_{nety}=F_N-F_g\cos(\theta)=0

И снова мы решаем для ​ a ​ аналогичным образом:

F_N-F_g\cos(\theta)=0\ подразумевает F_N=F_g\cos(\theta)\\ F_g\sin(\theta)-\mu_kF_N=F_g\sin( \theta)-\mu_kF_g\cos(\theta)=ma\\ \подразумевает \отменить mg\sin(\theta)-\mu_k\отменить mg\cos(\theta)=\отменить ma\\ \подразумевает a=g (\sin(\theta)-\mu_k\cos(\theta))=9.2}

Обратите внимание, что ускорение с сопротивлением качению очень близко к случаю без трения, в то время как случай с трением скольжения существенно отличается.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.