Трение во всех ракурсах
Возьмем деревянный цилиндр и положим его на стол так, чтобы он
касался стола по образующей. В центры оснований цилиндра вставим концы
проволочной вилки и прикрепим к ней снабженный очень чувствительный
динамометр. Если тянуть за динамометр, то цилиндр покатится по столу. По
показаниям динамометра увидим, что нужна весьма небольшая сила тяги,
чтобы сдвинуть с места цилиндр и катить его равномерно дальше, гораздо
меньшая, чем при скольжении того же цилиндра, если бы он не вращался и
скользил бы по столу. При той же силе давления на стол сила трения
качения много меньше силы трения скольжения. Например, при качении
стальных колёс по стальным рельсам трение качения примерно в 100 раз
меньше, чем трение скольжения. Поэтому в машинах стремятся заменить
трение скольжения трением качения, применяя так называемые шариковые или
роликовые подшипники.
Происхождение трения качения можно наглядно представить себе так.
Когда шар или цилиндр катится по поверхности другого тела, он немного
вдавливается в поверхность этого тела, а сам немного сжимается. Таким
образом, катящееся тело всё время как бы вкатывается на горку.
[pic]
Вместе с тем происходит отрыв участков одной поверхности от
другой, а силы сцепления, действующие между этими поверхностями,
препятствуют этому. Оба эти явления и вызывают силы трения качения. Чем
твёрже поверхности, тем меньше вдавливание и тем меньше трение качения.
Сопротивление среды
Если твёрдое тело находится внутри жидкости или газа, то вся его
поверхность всё время соприкасается с частицами жидкости или газа. При
движении тела на него со стороны жидкости или газа действуют силы,
направленные навстречу движению. Эти силы называют сопротивлением среды.
Как силы трения, сопротивление среды всегда направленно против движения.
Сопротивление среды можно рассматривать как один из видов трения.
Особенностью сил трения в жидкости или газе является отсутствие
трения покоя. Твёрдое тело лежащее на другом твёрдом теле, может быть
сдвинуто с места, только если к нему приложена достаточно большая сила,
превосходящая наибольшую силу трения покоя. При меньшей силе твёрдое
тело с места не сдвинется, сколько бы времени эта сила ни действовала.
Картина получается иной, если тело находится в жидкости. В этом случае,
чтобы сдвинуть с места тело, достаточно сколь угодно малых сил: хотя и
очень медленно, но всё же тело начнёт двигаться. Человек вообще никогда
не сдвинет с места голыми руками камень весом в сто тонн. В то же время
баржу весом в сто тонн, плавающую на воде, один человек, хотя и очень
медленно, но всё же сможет двигать. Однако по мере увеличения скорости
сопротивление среды сильно увеличивается, так что, сколько бы времени
сила не действовала, она не сможет разогнать тело до большой скорости.
Важной характеристикой жидких и газообразных сред является
вязкость. Вязкость – свойство текучих тел (жидкостей и газов)
сопротивляться перемещению одной их части относительно другой под
действием внешних сил.
Количественно вязкость определяется величиной касательной силы,
которая должна быть приложена к единице площади сдвигаемого слоя, чтобы
поддерживать в этом слое ламинарное течение с постоянной скоростью
относительно сдвига, равной единице.
Вязкость газов и жидкостей, согласно молекулярной кинетической
теории, вызвана передачей импульса от молекул более быстро движущегося
слоя к молекулам более медленного слоя, которая происходит при
перемешивании молекул соседних слоёв вследствие теплового движения.
Силы внутреннего трения гораздо меньше сил трения скольжения.
Поэтому для уменьшения трения между движущимися частями машин и
механизмов используется смазка – слой вязкой жидкости, заполняющий
пространство между трущимися поверхностями и оттесняющий их друг от
друга. Это приводит к существенному уменьшению нагрева и износа деталей.
Вместе с тем следует избегать попадания жидкости между фрикционными
муфтами, ремнём и шкивом в ременной передаче, ведущими колесами
локомотива и рельсом и т.п., ибо во всех этих случаях именно сила трения
служит для передачи движения.
С увеличением температуры вязкость газов возрастает, а жидкостей
(за некоторым исключением) резко падает. Это связано с различиями в
характере движения молекул в жидкости и газе. При понижении температуры
вязкость некоторых жидкостей настолько возрастает, что они теряют
характерную для них способность течь, превращаясь в аморфные твёрдые
тела.
Сопротивление воздуха
При движении твёрдого тела в воздухе на тело действует сила
сопротивления воздуха, направленная противоположно движению тела. Такая
же сила возникает, если на неподвижное тело набегает пучок воздуха; она
направлена, конечно, по движению потока.
Сила сопротивления вызывается, во-первых, трением воздуха о
поверхность тела и, во-вторых, изменением движения потока, вызванным
телом. В воздушном потоке, изменённом присутствием тела, давление на
передней стороне тела растёт, а на задней – понижается по сравнению с
давлением в невозмущенном потоке.
Таким образом, создаётся разность давлений, тормозящая движущееся
тело или увлекающая тело, погруженное в поток. Движение воздуха позади
тела принимает беспорядочный вихревой характер.
Сила сопротивления зависит от скорости потока, от размеров и формы
тела.
[pic]
Для всех тел, изображенных на рисунке, сопротивление движению
одинаково, несмотря на весьма разные размеры тел.
«Обтекаемое» тело почти не нарушает правильности потока; поэтому
давление на заднюю часть тела лишь немного понижено по сравнению с
передней частью и сопротивление не велико.
Различные обтекатели, устанавливаемые на выдающихся частях
самолёта, как раз имеют своим назначением устранять завихрения потока
выступающими частями конструкции. Вообще же конструкторы стремятся
оставлять на поверхности возможно меньшее количество выдающихся частей и
неровностей, могущих создавать завихрения.
Влияние сопротивления воздуха сильно сказывается и для наземных
средств передвижения: с увеличением скорости автомобилей на преодоление
сопротивления воздуха затрачивается всё большая часть мощности мотора.
Поэтому современным автомобилям также придают по возможности обтекаемую
форму.
Для уменьшения трения при сверхзвуковой скорости нужно заострять
переднюю часть движущегося тела, в то время как при меньших скоростях
наибольшее значение имеет «обтекаемость».
Сопротивление воды
При движении тел в воде также возникаю силы сопротивления,
направленные противоположно движению тела. Если тело движется под водой,
то сопротивление теми же обстоятельствами, что и при движении в воздухе:
трение воды о поверхность тела и изменением потока, создающим
дополнительное сопротивление. Быстро плавающие рыбы и китообразные имеют
«обтекаемую форму тела, уменьшающую сопротивление воды при их движении.
Обтекаемую форму придают и подводным лодкам. Вследствие большой
плотности воды по сравнению с плотностью воздуха, сопротивление движению
данного тела в воде много больше сопротивления в воздухе при той же
скорости движения.
Для обычных судов, идущих на поверхности воды, есть ещё
дополнительное волновое сопротивление: от идущего судна на поверхности
воды расходятся волны, на создание которых непроизводительно
затрачивается часть работы судовой машины.
[pic]
Для уменьшения волнового сопротивления, которое для быстроходных
судов может составлять 3/4 полного сопротивления, корпусу судна придают
специальную форму. Нос судна в подводной части иногда делают
«бульбообразной» формы; при этом образование волн на поверхности воды
уменьшается, а значит, уменьшается и сопротивление.
Заключение
Чем больше мы будем изучать законы трения, тем сложней, а не проще
представятся они нам. Иными словами, всё глубже вникая в закон
торможения самолёта, мы всё ясней будем понимать его «фальшь». Чем
глубже взгляд, чем аккуратней измерения, тем сложнее становится истина;
она не предстанет перед нами как итог простых фундаментальных процессов.
Тем больше человек понимание того, что, расширяя круг знаний человек
расширяет круг своих не знаний.
Список основной литературы:
1. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сендс «ФЕЙНМАНОВСКИЕ ЛЕКЦИИ ПО
ФИЗИКЕ» 1976г.
2. «ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ УЧЕБНИК ФИЗИКИ» под ред. Академика Г.С.
Ландсберга 1971г.
3. Перельман Я.И. «ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА» 1999г.
| |  скачать работу |
Трение во всех ракурсах |
