Трение

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

Трение главным образом имеет электронную природу при условии, что вещество находится в нормальном состоянии. В сверхпроводящем состоянии вдалеке от критической температуры основным «источником» трения являются фононы, а коэффициент трения может уменьшиться в несколько раз.

Сила трения

Сила трения — это сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их относительному движению. Причины возникновения силы трения:

1) Шероховатость соприкасающихся поверхностей.

2) Взаимное притяжение молекул этих поверхностей.

Принято, что сила трения прямо пропорциональна силе нормальной реакции (N) т. е. зависит от того, насколько сильно тела прижаты друг к другу и от их материала.

Виды

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

• Трение скольжения — сила, возникающая при поступательном перемещении одного из 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. Возникает при микроперемещениях (например, при деформации) контактирующих тел. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного относительного движения.

В физике взаимодействия трение принято разделять на:

• сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками (в том числе и твердыми 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.
• смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
• жидкостное (вязкое), 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;
• эластогидродинамическое (вязкоупругое), когда решающее значение имеет внутреннее трение в смазывающем материале. Возникает при увеличении относительных скоростей перемещения.

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

Закон Амонтона — Кулона

Основная статья: Закон Амонтона — Кулона

Основной характеристикой трения является коэффициент трения $\mu$, который определяется материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел.

В простейших случаях сила трения $F$ и нормальная нагрузка (или сила нормальной реакции) $N_{normal}$ связаны неравенством

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

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

Пример коэффициентов трения покоя и скольжения для некоторых пар материалов:

Пары материалов	$\mu$ покоя	$\mu$ скольжения
Сталь-Сталь	0,8	0,15–0,18
Резина-Сухой асфальт	0,95–1,0	0,50–0,75
Лед-лед	0,05–0,1	0,028
Резина-Лед	0,3	0,15–0,25
Стекло-стекло	0,9	0,7

Закон Амонтона — Кулона с учетом адгезии

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

$\mu ={\frac {F}{N_{normal}+N_{adhesion}}}$.

Прикладное значение

Трение в механизмах и машинах

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

Сцепление с поверхностью

Наличие трения обеспечивает возможность перемещаться по поверхности. Так, при ходьбе именно за счёт трения происходит сцепление подошвы с полом, в результате чего происходит отталкивание от пола и движение вперёд. Точно так же обеспечивается сцепление колёс автомобиля (мотоцикла) с поверхностью дороги. В частности, для увеличения улучшения этого сцепления разрабатываются новые формы и специальные типы резины для покрышек, а на гоночные болиды устанавливаются антикрылья, сильнее прижимающие машину к трассе.

См. также

• Геомодификаторы трения

Журналы

• Трение, Износ, Смазка, журнал о трении.
• Трение и Износ, журнал о трении издаётся Национальной Академией Наук Беларуси с 1980 г.
• Journal of Tribology, международный журнал о трении.
• Wear, международный журнал о трении и износе.
• Таблицы коэффициентов трения, численные значения коэффициентов трения.

Литература

• Зайцев А.К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 1. Трение в машинах. Теория, расчет и конструкция подшипников и подпятников скольжения. Машгиз. М.-Л. - 1947. 256 с.
• Зайцев А.К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 2. Износ материалов. Классификация видов износа, методов и машин для лабораторного испытания материалов на износ машины и производственные на них исследования. Машгиз. М.-Л. - 1947. 220 с.
• Зайцев А.К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 3. Износ машин. Износ машин и деталей и способы борьбы с их износом. Машгиз. М.-Л. - 1947. 164 с.
• Зайцев А.К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 4. Смазка машин. Машгиз. М.-Л. - 1948. 279 с.
• Archbutt L., Deeley R.M. Lubrication and Lubicants. London. - 1927
• Арчбютт Л., Дилей Р.М. Трение, смазка и смазочные материалы. Руководство по теории и практике смазки и по методам испытания смазочных материалов. Госгоргеолнефтиздат. – Л. – 1934. – 703 с.
• Арчбютт Л., Дилей Р.М. Трение, смазка и смазочные материалы - 2-е изд., перераб. и доп. - М.-Л.: Гостоптехиздат. - 1940. - 824 с.
• Дерягин Б. В. Что такое трение? М.: Изд. АН СССР, 1963.
• Крагельский И. В., Щедров В. С. Развитие науки о трении. Сухое трение. М.: Изд. АН СССР, 1956.
• Фролов, К. В. (ред.) Современная трибология: Итоги и перспективы. ЛКИ, 2008.
• Bowden F. P., Tabor D. The Friction and Lubrication of Solids. Oxford University Press, 2001.
• Persson Bo N. J.: Sliding Friction. Physical Principles and Applications. Springer, 2002.
• Popov V. L. Kontaktmechanik und Reibung. Ein Lehr- und Anwendungsbuch von der Nanotribologie bis zur numerischen Simulation, Springer, 2009.
• Rabinowicz E. Friction and Wear of Materials. Wiley-Interscience, 1995.