Tření - Friction

Část série na
Klasická mechanika
${\ displaystyle {\ textbf {F}} = {\ frac {d} {dt}} (m {\ textbf {v}})}$ Druhý pohybový zákon
Dějiny Časová osa Učebnice
Pobočky
Základy
Formulace
Základní témata
Otáčení
Vědci
Fyzikální portál  Kategorie
proti t E

Obrázek 1: Simulované bloky s fraktálovými drsnými povrchy, vykazující interakce statického tření

Tření je síla odolávající relativnímu pohybu pevných povrchů, tekutých vrstev a hmotných prvků klouzajících proti sobě. Existuje několik typů tření:

• Suché tření je síla, která brání relativnímu bočnímu pohybu dvou pevných povrchů v kontaktu. Suché tření je rozděleno na statické tření („ stiction “) mezi nepohybujícími se povrchy a kinetické tření mezi pohybujícími se povrchy. S výjimkou atomového nebo molekulárního tření, suché tření obecně vzniká interakcí povrchových znaků, známých jako asperity (viz obrázek 1).
• Fluidní tření popisuje tření mezi vrstvami viskózní kapaliny, které se pohybují vůči sobě navzájem.

• Mazané tření je případ tekutého tření, kdy mazací kapalina odděluje dva pevné povrchy.

• Tření kůže je složkou odporu , síly odolávající pohybu tekutiny po povrchu těla.
• Vnitřní tření je síla odolávající pohybu mezi prvky tvořícími pevný materiál, zatímco prochází deformací .

Když se povrchy v kontaktu pohybují vůči sobě navzájem, tření mezi těmito dvěma povrchy převádí kinetickou energii na tepelnou energii (to znamená, že přeměňuje práci na teplo ). Tato vlastnost může mít dramatické důsledky, jak ukazuje použití tření vzniklého třením kusů dřeva dohromady k rozdělání ohně. Kinetická energie se převádí na tepelnou energii, kdykoli dojde k pohybu s třením, například při míchání viskózní tekutiny. Dalším důležitým důsledkem mnoha typů tření může být opotřebení , které může vést ke snížení výkonu nebo poškození součástí. Tření je součástí vědy o tribologii .

Tření je žádoucí a důležité při zajišťování tahu pro usnadnění pohybu na souši. Většina pozemních vozidel spoléhá na tření při akceleraci, zpomalování a změně směru jízdy. Náhlé snížení trakce může způsobit ztrátu kontroly a nehody.

Tření samo o sobě není základní silou . Suché tření vzniká kombinací adheze mezi povrchy, drsnosti povrchu, povrchové deformace a povrchové kontaminace. Složitost těchto interakcí činí výpočet tření z prvních principů nepraktickým a vyžaduje použití empirických metod pro analýzu a rozvoj teorie.

Tření je nekonzervativní síla -práce vykonaná proti tření je závislá na dráze. V přítomnosti tření je nějaká kinetická energie vždy transformována na tepelnou energii, takže mechanická energie není zachována.

Dějiny

Řeky, včetně Aristotela , Vitruvia a Plinia staršího , zajímala příčina a zmírnění tření. Byli si vědomi rozdílů mezi statickým a kinetickým třením, když Themistius v roce 350 n. L. Uvedl , že „je snazší podpořit pohyb pohybujícího se tělesa, než pohybovat tělem v klidu“.

Klasické zákony kluzného tření objevil Leonardo da Vinci v roce 1493, průkopník tribologie , ale zákony zdokumentované v jeho sešitech nebyly zveřejněny a zůstaly neznámé. Tyto zákony znovu objevil Guillaume Amontons v roce 1699 a stal se známým jako tři Amontonovy zákony suchého tření. Amontons představil povahu tření, pokud jde o nerovnosti povrchu a sílu potřebnou ke zvýšení hmotnosti přitlačením povrchů k sobě. Tento pohled dále rozpracovali Bernard Forest de Bélidor a Leonhard Euler (1750), kteří odvodili úhel klidu závaží na nakloněné rovině a nejprve rozlišovali statické a kinetické tření. John Theophilus Desaguliers (1734) poprvé rozpoznal roli adheze při tření. Mikroskopické síly způsobují slepení povrchů; navrhl, že tření je síla nezbytná k roztržení přilnavých povrchů od sebe.

Porozumění tření dále rozvinul Charles-Augustin de Coulomb (1785). Coulomb zkoumal vliv čtyř hlavních faktorů na tření: povahu kontaktních materiálů a jejich povrchové vrstvy; rozsah povrchové plochy; normální tlak (nebo zatížení); a dobu, po kterou zůstaly povrchy v kontaktu (doba klidu). Coulomb dále zvažoval vliv klouzavé rychlosti, teploty a vlhkosti, aby se rozhodl mezi různými vysvětleními o povaze tření, které bylo navrženo. Rozdíl mezi statickým a dynamickým třením je proveden v Coulombově zákonu tření (viz níže), ačkoli toto rozlišení již nakreslil Johann Andreas von Segner v roce 1758. Vliv doby odpočinku vysvětlil Pieter van Musschenbroek (1762) povrchy vláknitých materiálů, přičemž vlákna jsou v záběru, což trvá konečný čas, ve kterém se tření zvyšuje.

John Leslie (1766–1832) zaznamenal slabinu v názorech na Amontonse a Coulomba: Pokud tření vzniká z taženého závaží v nakloněné rovině po sobě jdoucích asperit , proč tedy není vyváženo sestupem na opačný svah? Leslie byla stejně skeptická ohledně role adheze navržené Desaguliery, která by měla mít celkově stejnou tendenci zrychlovat, jako zpomalovat pohyb. Podle Leslieho by tření mělo být chápáno jako časově závislý proces zploštění a stlačení nerovností, což vytváří nové překážky v dřívějších dutinách.

Arthur Jules Morin (1833) vyvinul koncept kluzného proti valivému tření. Osborne Reynolds (1866) odvodil rovnici viskózního toku. Tím byl dokončen klasický empirický model tření (statický, kinetický a tekutý), běžně používaný dnes ve strojírenství. V roce 1877 Fleeming Jenkin a JA Ewing zkoumali spojitost mezi statickým a kinetickým třením.

Těžištěm výzkumu v průběhu 20. století bylo porozumět fyzikálním mechanismům, které stojí za třením. Frank Philip Bowden a David Tabor (1950) ukázali, že na mikroskopické úrovni je skutečná plocha kontaktu mezi povrchy velmi malým zlomkem zdánlivé oblasti. Tato skutečná oblast kontaktu, způsobená asperacemi, se zvyšuje s tlakem. Vývoj mikroskopu atomové síly (asi 1986) umožnil vědcům studovat tření v atomovém měřítku , což ukazuje, že v tomto měřítku je suché tření výsledkem smykového napětí mezi povrchem a kontaktní plochy. Tyto dva objevy vysvětlují Amontonův první zákon (níže) ; makroskopická proporcionalita mezi normální silou a statickou třecí silou mezi suchými povrchy.

Zákony suchého tření

Elementární vlastnost kluzného (kinetického) tření byla objevena experimentem v 15. až 18. století a byla vyjádřena jako tři empirické zákony:

• Amontonsův první zákon : Síla tření je přímo úměrná působícímu zatížení.
• Amontonsův druhý zákon : Síla tření je nezávislá na zdánlivé oblasti kontaktu.
• Coulombův zákon tření : Kinetické tření je nezávislé na kluzné rychlosti.

Suché tření

Suché tření odolává relativnímu bočnímu pohybu dvou pevných povrchů v kontaktu. Dva režimy suchého tření jsou „statické tření“ („ vztlak “) mezi nepohyblivými povrchy a kinetické tření (někdy nazývané kluzné tření nebo dynamické tření) mezi pohybujícími se povrchy.

Coulombovo tření, pojmenované podle Charlese-Augustina de Coulomba , je přibližným modelem používaným pro výpočet síly suchého tření. Řídí se modelem:

${\ Displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \ leq \ mu F _ {\ mathrm {n}},}$

kde

• ${\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \,}$je síla tření vyvíjená každým povrchem na druhém. Je rovnoběžná s povrchem, ve směru opačném k čisté aplikované síle.
• ${\ displaystyle \ mu \,}$ je koeficient tření, který je empirickou vlastností kontaktujících materiálů,
• ${\ displaystyle F _ {\ mathrm {n}} \,}$je normálová síla vyvíjená každým povrchem na druhý, směřující kolmo (normálně) na povrch.

Coulombovo tření může nabývat libovolných hodnot od nuly do a směr třecí síly proti povrchu je opačný k pohybu, který by povrch zaznamenal při absenci tření. Ve statickém případě je třecí síla přesně taková, jaká musí být, aby se zabránilo pohybu mezi povrchy; vyvažuje čistou sílu, která má tendenci způsobit takový pohyb. V tomto případě namísto poskytnutí odhadu skutečné třecí síly poskytuje Coulombova aproximace prahovou hodnotu této síly, nad kterou by začal pohyb. Tato maximální síla je známá jako tah . ${\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \,}$${\ Displaystyle \ mu F _ {\ mathrm {n}} \,}$

Síla tření je vždy vyvíjena ve směru, který je proti pohybu (pro kinetické tření) nebo potenciálnímu pohybu (pro statické tření) mezi oběma povrchy. Například curlingový kámen klouzající po ledu zažívá kinetickou sílu, která jej zpomaluje. Pro příklad potenciálního pohybu zažívají hnací kola zrychlujícího vozu třecí sílu směřující dopředu; kdyby to neudělali, kola by se točila a guma by klouzala dozadu po chodníku. Všimněte si, že to není směr pohybu vozidla, kterému jsou proti, je to směr (potenciálního) skluzu mezi pneumatikou a silnicí.

Normální síla

Diagram volného těla pro blok na rampě. Šipky jsou vektory udávající směry a velikosti sil. N je normální síla, mg je gravitační síla a F _f je síla tření.

Normální síla je definována jako čistá síla stlačující dvě rovnoběžné plochy k sobě a její směr je kolmý na povrchy. V jednoduchém případě hmoty spočívající na vodorovné ploše je jedinou složkou normální síly gravitační síla, kde . V tomto případě, podmínky rovnováhy nám říkají, že velikost třecí síly je nulová , . Třecí síla ve skutečnosti vždy splňuje , přičemž rovnost je dosažena pouze při kritickém úhlu rampy (daném ), který je dostatečně strmý, aby zahájil klouzání. ${\ Displaystyle N = mg \,}$${\ displaystyle F_ {f} = 0}$${\ Displaystyle F_ {f} \ leq \ mu N}$${\ Displaystyle \ tan ^{-1} \ mu}$

Koeficient tření je empirická (experimentálně měřená) strukturní vlastnost, která závisí pouze na různých aspektech kontaktujících materiálů, jako je drsnost povrchu. Koeficient tření není funkcí hmotnosti ani objemu. Například velký hliníkový blok má stejný koeficient tření jako malý hliníkový blok. Velikost samotné třecí síly však závisí na normální síle, a tedy na hmotnosti bloku.

V závislosti na situaci může výpočet normální síly zahrnovat i jiné síly než gravitační. Pokud je předmět na rovném povrchu a je vystaven vnější síle, která má tendenci způsobovat jeho klouzání, pak je normální síla mezi předmětem a povrchem pouze tam, kde je hmotnost bloku a je složkou vnější síly směrem dolů. Před klouzáním je tato třecí síla , kde je horizontální složka vnější síly. Tedy obecně. Klouzání začíná až poté, co tato třecí síla dosáhne hodnoty . Do té doby je tření to, co potřebuje k zajištění rovnováhy, takže s ním lze zacházet jednoduše jako s reakcí. ${\ displaystyle N}$${\ displaystyle P}$${\ Displaystyle N = mg+P_ {y}}$${\ Displaystyle mg}$${\ displaystyle P_ {y}}$${\ displaystyle F_ {f} =-P_ {x}}$${\ displaystyle P_ {x}}$${\ Displaystyle F_ {f} \ leq \ mu N}$${\ displaystyle F_ {f} = \ mu N}$

Pokud je předmět na nakloněném povrchu , jako je nakloněná rovina, je normální gravitační síla menší než , protože méně gravitační síly je kolmé na čelo roviny. Normální síla a třecí síla jsou nakonec určeny pomocí vektorové analýzy, obvykle pomocí diagramu volného tělesa . ${\ Displaystyle mg}$

Obecně je řešením jakéhokoli problému se statikou se třením zacházet s kontaktujícími povrchy předběžně jako s nepohyblivými, aby bylo možné vypočítat odpovídající tangenciální reakční sílu mezi nimi. Pokud tato třecí reakční síla splňuje , pak byl předběžný předpoklad správný a je to skutečná třecí síla. V opačném případě musí být třecí síla nastavena na hodnotu rovna a potom by výsledná nerovnováha síly pak určovala zrychlení spojené se uklouznutím. ${\ Displaystyle F_ {f} \ leq \ mu N}$${\ displaystyle F_ {f} = \ mu N}$

Koeficient tření

Koeficient tření (COF), často symbolizovaný řeckým písmenem u Stabilizátory , je bezrozměrný skalární hodnota, která se rovná poměru síly tření mezi dvěma těly a sílu stiskne je dohromady, a to buď v průběhu nebo po nástupu uklouznutí. Koeficient tření závisí na použitých materiálech; například led na oceli má nízký koeficient tření, zatímco guma na vozovce má vysoký koeficient tření. Koeficienty tření se pohybují od téměř nuly do více než jedna. Jedná se o axiom povahy tření mezi kovovými povrchy, že je větší mezi dvěma povrchy podobných kovů než mezi dvěma povrchy různých kovů - mosaz tedy bude mít vyšší koeficient tření při pohybu proti mosazi, ale menší při pohybu proti ocel nebo hliník.

Pro povrchy v klidu vůči sobě , kde je koeficient statického tření . To je obvykle větší než jeho kinetický protějšek. Koeficient statického tření vykazovaný dvojicí kontaktních povrchů závisí na kombinovaných účincích charakteristik deformace materiálu a drsnosti povrchu , z nichž oba mají svůj původ v chemické vazbě mezi atomy v každém sypkém materiálu a mezi povrchem materiálu a jakýmkoli povrchem adsorbovaný materiál . Je známo, že fraktalita povrchů, parametr popisující chování škálování povrchových asperit, hraje důležitou roli při určování velikosti statického tření. ${\ Displaystyle \ mu = \ mu _ {\ mathrm {s}}}$${\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {s}}}$

Pro povrchy v relativním pohybu , kde je koeficient kinetického tření . Coulombovo tření je stejné a třecí síla na každém povrchu je vyvíjena ve směru opačném k jeho pohybu vzhledem k druhému povrchu. ${\ Displaystyle \ mu = \ mu _ {\ mathrm {k}}}$${\ Displaystyle \ mu _ {\ mathrm {k}} \,}$${\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}}}$

Arthur Morin představil termín a prokázal užitečnost koeficientu tření. Koeficient tření je empirické měření - musí být měřeno experimentálně a nelze jej zjistit výpočty. Drsnější povrchy mívají vyšší efektivní hodnoty. Statický i kinetický koeficient tření závisí na dvojici kontaktních ploch; pro daný pár povrchů je koeficient statického tření obvykle větší než kinetického tření; v některých sadách jsou oba koeficienty stejné, například teflon na teflon.

Většina suchých materiálů v kombinaci má hodnoty součinitele tření mezi 0,3 a 0,6. Hodnoty mimo tento rozsah jsou vzácnější, ale například teflon může mít koeficient až 0,04. Hodnota nula by znamenala vůbec žádné tření, nepolapitelná vlastnost. Pryž ve styku s jinými povrchy může poskytnout koeficienty tření od 1 do 2. Občas se tvrdí, že μ je vždy <1, ale není to pravda. Zatímco ve většině relevantních aplikací μ <1, hodnota nad 1 pouze znamená, že síla potřebná k posunutí předmětu po povrchu je větší než normální síla povrchu na předmět. Například povrchy potažené silikonovým kaučukem nebo akrylovým kaučukem mají součinitel tření, který může být podstatně větší než 1.

I když se často uvádí, že COF je „materiální vlastností“, je lépe ji kategorizovat jako „systémovou vlastnost“. Na rozdíl od skutečných vlastností materiálu (jako je vodivost, dielektrická konstanta, mez kluzu), COF pro jakékoli dva materiály závisí na systémových proměnných, jako je teplota , rychlost , atmosféra a také to, co je nyní populárně popisováno jako doby stárnutí a brzdění; stejně jako na geometrických vlastnostech rozhraní mezi materiály, jmenovitě povrchové struktuře . Například měděný kolík klouzající po tlusté měděné desce může mít COF, který se mění od 0,6 při nízkých rychlostech (kov klouže proti kovu) až pod 0,2 při vysokých rychlostech, když se měděný povrch začne tát v důsledku třecího ohřevu. Druhá rychlost samozřejmě neurčuje COF jednoznačně; pokud se průměr čepu zvětší tak, že se třecí ohřev rychle odstraní, teplota klesne, kolík zůstane pevný a COF stoupne na test „nízké rychlosti“.

Přibližné koeficienty tření

Materiály		Statické tření, ${\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {s}}}$		Kinetické/kluzné tření, ${\ Displaystyle \ mu _ {\ mathrm {k}} \,}$
		Suché a čisté	Mazáno	Suché a čisté	Mazáno
Hliník	Ocel	0,61		0,47
Hliník	Hliník	1,05–1,35	0,3	1,4–1,5
Zlato	Zlato			2.5
Platina	Platina	1.2	0,25	3,0
stříbrný	stříbrný	1.4	0,55	1.5
Oxid hlinitý	Keramika z nitridu křemíku				0,004 (mokrý)
BAM (keramická slitina AlMgB 14 )	Borid titaničitý (TiB 2 )	0,04–0,05	0,02
Mosaz	Ocel	0,35–0,51	0,19	0,44
Litina	Měď	1,05		0,29
Litina	Zinek	0,85		0,21
Beton	Pryž	1,0	0,30 (mokrý)	0,6–0,85	0,45–0,75 (vlhký)
Beton	Dřevo	0,62
Měď	Sklenka	0,68		0,53
Měď	Ocel	0,53		0,36	0,18
Sklenka	Sklenka	0,9–1,0	0,005–0,01	0,4	0,09–0,116
Lidská synoviální tekutina	Lidská chrupavka		0,01		0,003
Led	Led	0,02–0,09
Polyethen	Ocel	0,2	0,2
PTFE (teflon)	PTFE (teflon)	0,04	0,04		0,04
Ocel	Led	0,03
Ocel	PTFE (teflon)	0,04−0,2	0,04		0,04
Ocel	Ocel	0,74 - 0,80	0,005–0,23	0,42–0,62	0,029–0,19
Dřevo	Kov	0,2–0,6	0,2 (mokrý)	0,49	0,075
Dřevo	Dřevo	0,25–0,62	0,2 (mokrý)	0,32–0,48	0,067–0,167

Některé materiály mají za určitých podmínek velmi nízké koeficienty tření. Příkladem je (vysoce uspořádaný pyrolytický) grafit, který může mít součinitel tření pod 0,01. Tento režim ultranízkého tření se nazývá superlubricita .

Statické tření

Když se hmota nepohybuje, předmět zažije statické tření. Tření se zvyšuje s rostoucí silou, dokud se blok nepohybuje. Poté, co se blok pohybuje, dochází k kinetickému tření, které je menší než maximální statické tření.

Statické tření je tření mezi dvěma nebo více pevnými předměty, které se vůči sobě nepohybují. Statické tření může například zabránit sklouznutí předmětu po šikmé ploše. Koeficient statického tření, obvykle označovaný jako μ _s , je obvykle vyšší než koeficient kinetického tření. Má se za to, že statické tření vzniká v důsledku vlastností drsnosti povrchu ve více délkových stupnicích na pevných površích. Tyto vlastnosti, známé jako asperity, jsou přítomny až do nanoúrovňových rozměrů a vedou ke skutečnému kontaktu mezi pevnými a pevnými látkami pouze v omezeném počtu bodů, což představuje pouze zlomek zdánlivé nebo nominální kontaktní plochy. Linearita mezi aplikovaným zatížením a skutečnou kontaktní plochou, vyplývající z deformace asperity, vede k lineárnosti mezi statickou třecí silou a normální silou, zjištěnou pro typické tření typu Amonton – Coulomb.

Síla statického tření musí být překonána aplikovanou silou, než se objekt může pohybovat. Maximální možný třecí síla mezi dvěma povrchy, než posuvné začne je součin koeficientu statického tření a normálové síly: . Pokud nedojde k žádnému klouzání, může mít třecí síla libovolnou hodnotu od nuly do . Jakákoli síla menší, než je snaha klouzat po jedné ploše po druhé, je postavena proti třecí síle stejné velikosti a opačného směru. Jakákoli síla větší než překonává sílu statického tření a způsobuje klouzání. Dojde k okamžitému sklouznutí, statické tření již není použitelné - tření mezi dvěma povrchy se pak nazývá kinetické tření. Zdánlivé statické tření však lze pozorovat i v případě, kdy je skutečné statické tření nulové. ${\ displaystyle F _ {\ text {max}} = \ mu _ {\ mathrm {s}} F _ {\ text {n}}}$${\ displaystyle F _ {\ text {max}}}$${\ displaystyle F _ {\ text {max}}}$${\ displaystyle F _ {\ text {max}}}$

Příkladem statického tření je síla, která brání sklouznutí kola automobilu při jeho otáčení po zemi. I když je kolo v pohybu, záplata pneumatiky, která je v kontaktu se zemí, je vůči zemi nehybná, takže je spíše statická než kinetické tření.

Maximální hodnota statického tření, když se blíží pohyb, je někdy označována jako omezující tření , ačkoli tento termín není používán univerzálně.

Kinetické tření

Kinetické tření , známé také jako dynamické tření nebo kluzné tření , nastává, když se dva objekty pohybují relativně vůči sobě a tře se o sebe (jako sáně na zemi). Součinitel kinetického tření je obvykle označován jako μ _k a je obvykle menší než součinitel statického tření pro stejné materiály. Nicméně, Richard Feynman komentáře, že „se suchými kovů je velmi těžké prokázat žádný rozdíl.“ Třecí síla mezi dvěma povrchy po posuvné začne je součin koeficientu kinetického tření a normálové síly: . To je odpovědný za Coulomb tlumicí z kmitavého nebo vibračního systému. ${\ Displaystyle F_ {k} = \ mu _ {\ mathrm {k}} F_ {n} \,}$

Nové modely začínají ukazovat, jak může být kinetické tření větší než statické tření. Kinetické tření je nyní v mnoha případech chápáno tak, že je primárně způsobeno chemickou vazbou mezi povrchy, spíše než prolínáním nerovností; v mnoha jiných případech jsou však efekty drsnosti dominantní, například u tření mezi gumou a vozovkou. Drsnost povrchu a kontaktní plocha ovlivňují kinetické tření u objektů v mikro a nano měřítku, kde síly povrchové plochy dominují setrvačné síly.

Původ kinetického tření v nanoměřítku lze vysvětlit termodynamikou. Při klouzání se na zadní straně posuvného skutečného kontaktu vytvoří nový povrch a stávající povrch zmizí před ním. Protože všechny povrchy zahrnují termodynamickou povrchovou energii, musí být při vytváření nového povrchu vynaložena práce a energie se uvolňuje jako teplo při odstraňování povrchu. K pohybu zadní části kontaktu je tedy zapotřebí síla a vpředu se uvolňuje třecí teplo.

Úhel tření, θ , když se blok začne klouzat.

Úhel tření

Pro určité aplikace je užitečnější definovat statické tření z hlediska maximálního úhlu, před kterým začne jedna z položek klouzat. Toto se nazývá úhel tření nebo úhel tření . Je definován jako:

${\ Displaystyle \ tan {\ theta} = \ mu _ {\ mathrm {s}} \,}$

kde θ je úhel od horizontály a μ _s je statický koeficient tření mezi objekty. Tento vzorec lze také použít k výpočtu μ _s z empirických měření úhlu tření.

Tření na atomové úrovni

Určení sil potřebných k přesunu atomů kolem sebe je výzvou při navrhování nanomasek . V roce 2008 byli vědci poprvé schopni přesunout jediný atom po povrchu a změřit potřebné síly. Pomocí ultra vysokého vakua a téměř nulové teploty (5 K) byl použit mikroskop s modifikovanou atomovou silou k tažení atomu kobaltu a molekuly oxidu uhelnatého přes povrchy mědi a platiny .

Omezení modelu Coulomb

Coulombova aproximace vyplývá z předpokladů, že: povrchy jsou v atomově blízkém kontaktu pouze na malém zlomku jejich celkové plochy; že tato kontaktní plocha je úměrná normální síle (až do nasycení, ke kterému dochází, když je celá oblast v atomovém kontaktu); a že třecí síla je úměrná aplikované normálové síle, nezávisle na kontaktní ploše. Coulombova aproximace je v zásadě empirický konstrukt. Jedná se o pravidlo popisující přibližný výsledek extrémně komplikované fyzické interakce. Silou aproximace je její jednoduchost a univerzálnost. Ačkoli vztah mezi normální silou a třecí silou není přesně lineární (a tak třecí síla není zcela nezávislá na kontaktní ploše povrchů), Coulombova aproximace je adekvátní reprezentací tření pro analýzu mnoha fyzikálních systémů.

Když jsou povrchy spojeny, Coulombovo tření se stává velmi špatnou aproximací (například lepicí páska odolává skluzu, i když neexistuje normální síla nebo záporná normálová síla). V tomto případě může třecí síla silně záviset na oblasti kontaktu. Některé pneumatiky pro drag racing jsou z tohoto důvodu lepicí. Navzdory složitosti základní fyziky tření jsou vztahy dostatečně přesné, aby byly užitečné v mnoha aplikacích.

„Negativní“ koeficient tření

Od roku 2012 jedna studie prokázala potenciál účinně negativního koeficientu tření v režimu nízkého zatížení , což znamená, že pokles normální síly vede ke zvýšení tření. To je v rozporu s každodenní zkušeností, ve které zvýšení normální síly vede ke zvýšení tření. To bylo hlášeno v časopise Nature v říjnu 2012 a zahrnovalo tření, se kterým se setkalo dotekové mikroskopové pero s atomovou silou, když bylo přetaženo přes grafenový list za přítomnosti kyslíku adsorbovaného na grafen.

Numerická simulace Coulombova modelu

Přestože je Coulombův model zjednodušeným modelem tření, je užitečný v mnoha numerických simulačních aplikacích, jako jsou vícetělové systémy a zrnitý materiál . I jeho nejjednodušší výraz zapouzdřuje základní efekty přilepení a klouzání, které jsou v mnoha aplikovaných případech vyžadovány, přestože je třeba navrhnout specifické algoritmy, aby bylo možné účinně numericky integrovat mechanické systémy s Coulombovým třením a dvoustranným nebo jednostranným kontaktem. S Coulombovým třením se lze setkat s některými docela nelineárními efekty , jako jsou takzvané Painlevé paradoxy .

Suché tření a nestability

Suché tření může vyvolat několik typů nestabilit v mechanických systémech, které vykazují stabilní chování bez tření. Tyto nestability mohou být způsobeny poklesem třecí síly se zvyšující se rychlostí klouzání, roztažností materiálu v důsledku vytváření tepla během tření (termoelastické nestability) nebo čistými dynamickými efekty klouzání dvou elastických materiálů (Adamsovi) –Martinovy ​​nestability). Ty byly původně objeveny v roce 1995 George G. Adamsem a João Arménio Correia Martins pro hladké povrchy a později byly nalezeny v periodických drsných površích. Zejména se předpokládá, že dynamické nestability související s třením jsou zodpovědné za skřípání brzd a „píseň“ skleněné harfy , což jsou jevy, které zahrnují hůl a skluz, modelované jako pokles součinitele tření s rychlostí.

Prakticky důležitým případem je vlastní oscilace strun smyčcových nástrojů , jako jsou housle , violoncello , hurdy-gurdy , erhu atd.

Bylo objeveno spojení mezi suchým třením a nestabilitou třepání v jednoduchém mechanickém systému, podívejte se na film, kde najdete další podrobnosti.

Nestálosti tření mohou vést k tvorbě nových samoorganizovaných vzorů (nebo „sekundárních struktur“) na kluzném rozhraní, jako jsou tribofilmy vytvořené na místě, které se používají ke snížení tření a opotřebení v takzvaných samomazných materiálech .

Tření kapalinou

K tekutinovému tření dochází mezi vrstvami tekutin, které se vůči sobě navzájem pohybují. Tento vnitřní odpor proti proudění se nazývá viskozita . V každodenních termínech je viskozita tekutiny popisována jako její „tloušťka“. Voda je tedy „řídká“ s nižší viskozitou, zatímco med je „hustá“ s vyšší viskozitou. Čím méně je viskózní tekutina, tím větší je její snadnost deformace nebo pohybu.

Všechny skutečné kapaliny (kromě supratekutých ) nabízejí určitou odolnost proti střihu, a proto jsou viskózní. Pro účely výuky a vysvětlování je užitečné použít koncept inviscidní tekutiny nebo ideální tekutiny, která nenabízí žádný odpor proti střihu, a proto není viskózní.

Mazané tření

Mazané tření je případ tekutého tření, kde tekutina odděluje dva pevné povrchy. Mazání je technika používaná ke snížení opotřebení jednoho nebo obou povrchů v těsné blízkosti pohybujících se vůči sobě navzájem vložením látky nazývané mazivo mezi povrchy.

Ve většině případů je aplikované zatížení přenášeno tlakem generovaným uvnitř tekutiny v důsledku třecího viskózního odporu vůči pohybu mazací tekutiny mezi povrchy. Přiměřené mazání umožňuje plynulý nepřetržitý provoz zařízení, pouze s mírným opotřebením a bez nadměrného namáhání nebo zadření ložisek. Když se mazání rozpadne, kovové nebo jiné součásti se mohou navzájem destruktivně třít, což způsobí teplo a případně poškození nebo selhání.

Tření kůže

Tření kůže vzniká interakcí mezi tekutinou a kůží těla a je přímo úměrné oblasti povrchu těla, která je v kontaktu s tekutinou. Tření kůže sleduje rovnici odporu a stoupá se čtvercem rychlosti.

Tření kůže je způsobeno viskózním tažením v hraniční vrstvě kolem objektu. Existují dva způsoby, jak snížit tření pokožky: první je tvarovat pohyblivé tělo tak, aby bylo možné plynulé proudění, jako profil křídla. Druhou metodou je co nejvíce zmenšit délku a průřez pohybujícího se objektu.

Vnitřní tření

Vnitřní tření je síla odolávající pohybu mezi prvky tvořícími pevný materiál, zatímco prochází deformací .

Plastická deformace v pevných látkách je nevratná změna vnitřní molekulární struktury objektu. Tato změna může být způsobena buď (nebo oběma) aplikovanými silami nebo změnou teploty. Změna tvaru předmětu se nazývá deformace. Síla, která to způsobuje, se nazývá stres .

Elastická deformace v pevných látkách je reverzibilní změnou vnitřní molekulární struktury objektu. Stres nemusí nutně způsobit trvalou změnu. Jak dochází k deformaci, vnitřní síly stojí proti použité síle. Pokud aplikované napětí není příliš velké, mohou tyto protichůdné síly zcela odolat aplikované síle, což umožňuje objektu převzít nový rovnovážný stav a po odstranění síly se vrátit do původního tvaru. Toto je známé jako elastická deformace nebo pružnost.

Radiační tření

V důsledku světelného tlaku Einstein v roce 1909 předpověděl existenci „radiačního tření“, které by bránilo pohybu hmoty. Napsal: „Radiace bude vyvíjet tlak na obě strany desky. Síly tlaku vyvíjené na obě strany jsou stejné, pokud je deska v klidu. Pokud je však v pohybu, odrazí se na povrchu, který je během pohybu (přední plocha), více záření než na zadní ploše. Zpětně působící síla tlaku vyvíjená na přední plochu je tedy větší než síla tlaku působící na záda. Jako výslednice těchto dvou sil tedy zůstává síla, která působí proti pohybu desky a která se zvyšuje s rychlostí desky. Stručně to budeme nazývat „radiační tření“. "

Jiné druhy tření

Valivý odpor

Valivý odpor je síla, která odolává odvalování kola nebo jiného kruhového předmětu po povrchu způsobeném deformacemi objektu nebo povrchu. Obecně je síla valivého odporu menší než síla spojená s kinetickým třením. Typické hodnoty pro součinitel valivého odporu jsou 0,001. Jedním z nejběžnějších příkladů valivého odporu je pohyb pneumatik motorových vozidel po silnici , což je proces, který generuje teplo a zvuk jako vedlejší produkty.

Brzdné tření

Každé kolo vybavené brzdou je schopno generovat velkou retardační sílu, obvykle za účelem zpomalení a zastavení vozidla nebo kusu rotujícího stroje. Brzdné tření se liší od valivého tření, protože součinitel tření pro valivé tření je malý, zatímco součinitel tření pro brzdné tření je navržen tak, aby byl velký výběrem materiálů pro brzdové destičky .

Triboelektrický efekt

Tření různých materiálů o sebe může způsobit nahromadění elektrostatického náboje , který může být nebezpečný, pokud jsou přítomny hořlavé plyny nebo páry. Když se vybije statická vrstva, může dojít k výbuchu zapálením hořlavé směsi.

Tření pásu

Tření pásu je fyzikální vlastnost pozorovaná ze sil působících na řemen omotaný kolem kladky, když je jeden konec tažen. Výsledné napětí, které působí na oba konce pásu, lze modelovat pomocí rovnice tření pásu.

V praxi lze teoretické napětí působící na pás nebo lano vypočítané podle rovnice tření pásu porovnat s maximálním napětím, které může pás unést. To pomáhá konstruktérovi takové soupravy vědět, kolikrát musí být řemen nebo lano omotán kolem kladky, aby se zabránilo sklouznutí. Horolezci a posádky plachetnic prokazují standardní znalosti o tření pásu při plnění základních úkolů.

Snížení tření

Zařízení

Zařízení, jako jsou kola, kuličková ložiska , válečková ložiska a vzduchový polštář nebo jiné typy tekutých ložisek, mohou měnit kluzné tření na mnohem menší typ valivého tření.

Mnoho termoplastických materiálů, jako je nylon , HDPE a PTFE, se běžně používá v ložiskách s nízkým třením . Jsou obzvláště užitečné, protože součinitel tření klesá s rostoucím uloženým zatížením. Pro lepší odolnost proti opotřebení jsou pro těžká nebo kritická ložiska obvykle specifikovány velmi vysoké třídy molekulové hmotnosti .

Maziva

Běžným způsobem, jak snížit tření, je použití maziva , jako je olej, voda nebo mazivo, které je umístěno mezi dvěma povrchy, což často dramaticky snižuje koeficient tření. Věda o tření a mazání se nazývá tribologie . Technologie maziv je, když se maziva mísí s aplikací vědy, zejména pro průmyslové nebo obchodní cíle.

V grafitu byla pozorována nedávno objevená superlubricita : je to podstatné snížení tření mezi dvěma klouzavými objekty, blížící se nulovým úrovním. Velmi malé množství třecí energie by bylo stále rozptýleno.

Lubrikanty k překonání tření nemusí být vždy tenké, turbulentní kapaliny nebo práškové pevné látky, jako je grafit a mastek ; akustické mazání ve skutečnosti používá zvuk jako mazivo.

Dalším způsobem, jak snížit tření mezi dvěma částmi, je superponování vibrací v mikroskopickém měřítku na jednu z částí. To může být sinusové vibrace, jak je používán v řezání nebo vibrací hluku ultrazvukem asistované, známý jako rozkladem .

Energie tření

Podle zákona o zachování energie není žádná energie zničena třením, ačkoli může být ztracena v systému zájmu. Energie se transformuje z jiných forem na tepelnou energii. Kluzný hokejový puk se zastaví, protože tření přeměňuje jeho kinetickou energii na teplo, které zvyšuje tepelnou energii puku a ledové plochy. Protože se teplo rychle rozptýlí, mnoho raných filozofů, včetně Aristotela , nesprávně dospělo k závěru, že pohybující se objekty ztrácejí energii bez hnací síly.

Když je předmět tlačen po povrchu po dráze C, energie přeměněná na teplo je dána liniovým integrálem v souladu s definicí práce

${\ Displaystyle E_ {th} = \ int _ {C} \ mathbf {F} _ {\ mathrm {fric}} (\ mathbf {x}) \ cdot d \ mathbf {x} \ = \ int _ {C} \ mu _ {\ mathrm {k}} \ \ mathbf {F} _ {\ mathrm {n}} (\ mathbf {x}) \ cdot d \ mathbf {x},}$

kde

${\ displaystyle \ mathbf {F} _ {\ mathrm {fric}} \,}$ je třecí síla,

${\ displaystyle \ mathbf {F} _ {\ mathrm {n}} \,}$je vektor získaný vynásobením velikosti normální síly jednotkovým vektorem směřujícím proti pohybu objektu,

${\ Displaystyle \ mu _ {\ mathrm {k}} \,}$ je koeficient kinetického tření, který je uvnitř integrálu, protože se může lišit od místa k místu (např. pokud se materiál mění po dráze),

${\ displaystyle \ mathbf {x} \,}$ je poloha objektu.

Energie ztracená v systému v důsledku tření je klasickým příkladem termodynamické nevratnosti .

Práce tření

V referenčním rámci rozhraní mezi dvěma povrchy, statické tření nemá žádnou práci , protože je zde nikdy posuv mezi plochami. Ve stejném referenčním rámci je kinetické tření vždy ve směru opačném k pohybu a působí negativně . Tření však může v určitých referenčních rámcích fungovat pozitivně . Lze to vidět tak, že položíte těžkou krabici na koberec a poté koberec rychle zatáhnete. V tomto případě krabice klouže dozadu vzhledem k koberci, ale pohybuje se dopředu vzhledem k referenčnímu rámci, ve kterém je podlaha nehybná. Kinetické tření mezi boxem a koberečkem tedy box zrychluje ve stejném směru, v jakém se box pohybuje, a dělá pozitivní práci.

Práce vykonaná třením se může promítnout do deformace, opotřebení a tepla, které mohou ovlivnit vlastnosti kontaktního povrchu (dokonce i koeficient tření mezi povrchy). To může být výhodné jako při leštění . Třecí práce se používají ke směšování a spojování materiálů, například v procesu třecího svařování . K nadměrné erozi nebo opotřebení protilehlých kluzných ploch dochází při práci v důsledku třecích sil na nepřijatelné úrovni. Tvrdší částice koroze zachycené mezi spojovacími povrchy v relativním pohybu ( tření ) zhoršují opotřebení třecích sil. Jelikož povrchy jsou opotřebované prací v důsledku tření, přizpůsobení a povrchová úprava předmětu se může zhoršovat, dokud přestane správně fungovat. Například zadření nebo selhání ložiska může být důsledkem nadměrného opotřebení v důsledku tření.

Aplikace

Tření je důležitým faktorem v mnoha technických oborech.

Přeprava

• Automobilové brzdy ve své podstatě spoléhají na tření a zpomalují vozidlo přeměnou jeho kinetické energie na teplo. Mimochodem, bezpečné rozptýlení tohoto velkého množství tepla je jednou z technických výzev při navrhování brzdových systémů. Kotoučové brzdy se spoléhají na tření mezi kotoučem a brzdovými destičkami, které jsou příčně stlačeny proti rotujícímu kotouči. U bubnových brzd jsou brzdové čelisti nebo destičky přitlačovány směrem ven proti rotujícímu válci (brzdovému bubnu), aby se vytvořilo tření. Protože brzdové kotouče mohou být účinněji chlazeny než bubny, kotoučové brzdy mají lepší brzdný účinek.
• Adheze na kolejnici se týká upínacích kol vlaku, která mají na kolejích, viz mechanika třecího kontaktu .
• Kluzkost vozovky je důležitým konstrukčním a bezpečnostním faktorem automobilů
  • Dělené tření je obzvláště nebezpečný stav, který vzniká v důsledku měnícího se tření na obou stranách automobilu.
  • Textura vozovky ovlivňuje interakci pneumatik a jízdní plochy.

Měření

• Tribometr je nástroj, který opatření tření na povrchu.
• Profilograph je zařízení používané pro měření drsnosti povrchu vozovky.

Využití v domácnosti

• Tření se používá k zahřívání a zapalování zápalek (tření mezi hlavou zápalky a třecí plochou zápalkové krabičky).
• Lepicí podložky se používají k zabránění sklouznutí předmětu z hladkých povrchů účinným zvýšením koeficientu tření mezi povrchem a předmětem.

Viz také

Reference

externí odkazy

• „Tření“  . Encyklopedie Britannica . 11 (11. vydání). 1911.
• Koeficienty tření - tabulky koeficientů plus mnoho odkazů
• Měření třecího výkonu
• Physclips: Mechanika s animacemi a videoklipy z University of New South Wales
• Hodnoty pro koeficient tření - CRC Handbook of Chemistry and Physics
• Charakteristické jevy v řetězci dopravníků
• Atomic-scale Friction Research and Education Synergy Hub (AFRESH) Engineering Engineering Organization for the atomic-scale friction community to share, archive, link, and discuss data, knowledge and tools related to atomic-scale friction.
• Koeficienty tření různých párů materiálů v atmosféře a vakuu .