Experiența arată că atunci când un corp se străduiește să se miște de-a lungul suprafeței altuia în planul de contact al corpurilor, apare o forță de rezistență la alunecarea relativă a acestora, numită forță de frecare de alunecare.
Apariția frecării se datorează în primul rând rugozității suprafețelor, care creează rezistență la mișcare, și prezenței aderenței între corpurile presate unele pe altele. Studiul tuturor trăsăturilor fenomenului de frecare este o problemă fizică și mecanică destul de complexă, a cărei examinare depășește domeniul de aplicare al cursului de mecanică teoretică.
În calculele de inginerie, ele pornesc de obicei dintr-un număr de modele stabilite empiric care reflectă principalele caracteristici ale fenomenului de frecare cu suficientă precizie pentru practică. Aceste legi, numite legile frecării de alunecare în repaus, pot fi formulate după cum urmează.
1. Când se încearcă deplasarea unui corp de-a lungul suprafeței altuia în planul de contact al corpurilor, apare o forță de frecare (sau forță de adeziune), care poate lua orice valoare de la zero la o valoare numită forță de frecare finală.
Forța de frecare aplicată corpului este îndreptată în direcția opusă celei în care forțele care acționează asupra corpului tind să-l miște.
2. Forța limită de frecare este numeric egală cu produsul dintre coeficientul static de frecare și presiunea normală sau reacția normală:
Coeficientul static de frecare este o mărime adimensională; se determină experimental și depinde de materialul corpurilor de contact și de starea suprafețelor (natura prelucrării, temperatură, umiditate etc.).
3. Valoarea forței finale de frecare, într-un interval destul de larg, nu depinde de dimensiunea suprafețelor în contact în timpul frecării.
Din primele două legi rezultă că la echilibru sau
Trebuie subliniat că valoarea forței de frecare în repaus este determinată de inegalitatea (40) și că, prin urmare, această valoare poate fi oricare, dar nu mai mare decât ceea ce este exact forța de frecare poate fi stabilit doar prin rezolvarea corespunzătoare problema (vezi § 25). Forța de frecare va fi egală ca mărime numai atunci când forța tăietoare care acționează asupra corpului atinge o astfel de valoare încât cu cea mai mică creștere corpul începe să se miște (alunece). Echilibrul care apare atunci când forța de frecare este egală va fi numit echilibru limitativ.
În concluzie, prezentăm valorile coeficientului de frecare pentru unele materiale: lemn pe lemn metal pe metal oțel pe gheață 0,027.
Informații mai detaliate sunt oferite în cărțile de referință relevante.
Toate cele de mai sus sunt legate de frecarea de alunecare în repaus. La mișcare, forța de frecare este direcționată în direcția opusă mișcării și este egală cu produsul dintre coeficientul dinamic de frecare și presiunea normală.
Coeficientul dinamic al frecării de alunecare este, de asemenea, o mărime adimensională și se determină experimental. Valoarea coeficientului depinde nu numai de materialul și starea suprafețelor, ci și într-o oarecare măsură de viteza corpurilor în mișcare. În cele mai multe cazuri, pe măsură ce viteza crește, mai întâi coeficientul scade ușor și apoi rămâne aproape constant.
Frecare(interacțiunea de frecare) este procesul de interacțiune a corpurilor în timpul mișcării (deplasării) lor relative sau în timpul mișcării unui corp într-un mediu gazos sau lichid.
Ramura fizicii care studiază procesele de frecare se numește tribologie(mecanica interacțiunii de frecare).
Frecarea este de obicei împărțită în:
- uscat atunci când solidele care interacționează nu sunt separate de straturi / lubrifianți suplimentari (inclusiv lubrifianți solizi) - un caz foarte rar în practică; o trăsătură caracteristică a frecării uscate este prezența unei forțe de frecare statice semnificative;
- limite când zona de contact poate conține straturi și zone de natură diferită (filme de oxid, lichid etc.) - cel mai frecvent caz de frecare de alunecare;
- lichid(vâscos), care apare în timpul interacțiunii corpurilor separate de un strat de solid (pulbere de grafit), lichid sau gaz (lubrifiant) de grosime variabilă - apare de obicei în timpul frecării de rulare, atunci când corpurile solide sunt scufundate într-un lichid, magnitudinea de frecarea vâscoasă se caracterizează prin vâscozitatea mediului;
- amestecat când zona de contact conține zone de frecare uscată și lichidă;
- elastohidrodinamic(vâscoelastic), când frecarea internă a lubrifiantului este critică. Apare atunci când viteza relativă de mișcare crește.
Forța de frecare- aceasta este o forță care ia naștere în punctul de contact al corpurilor și împiedică mișcarea relativă a acestora.
Motive pentru apariția forței de frecare:
- rugozitatea suprafețelor de contact;
- atracția reciprocă a moleculelor acestor suprafețe.
Frecare de alunecare– o forță care ia naștere în timpul mișcării de translație a unuia dintre corpurile în contact/interacționând față de altul și care acționează asupra acestui corp în direcția opusă direcției de alunecare.
Frecare de rulare– moment de forță care apare atunci când unul dintre cele două corpuri în contact/interacționează se rostogolește față de celălalt.
Frecare statică– o forță care ia naștere între două corpuri în contact și împiedică apariția mișcării relative. Această forță trebuie depășită pentru a pune în mișcare două corpuri în contact unul față de celălalt.
Forța de frecare este direct proporțională cu forța reacției normale, adică depinde de cât de strâns sunt presate corpurile unul împotriva celuilalt și de materialul lor, prin urmare principala caracteristică a frecării este coeficient de frecare, care este determinată de materialele din care sunt realizate suprafețele corpurilor care interacționează.
Purta– o modificare a dimensiunii, formei, masei sau stării suprafeței unui produs din cauza distrugerii (uzurii) stratului de suprafață din cauza frecării.
Funcționarea oricărei mașini este însoțită inevitabil de frecare în timpul mișcării relative a pieselor sale, astfel încât este imposibil să se elimine complet uzura. Cantitatea de uzură în timpul contactului direct cu suprafețele este direct proporțională cu munca forțelor de frecare.
Abraziunea este cauzată parțial de praf și murdărie, așa că este foarte important să păstrați echipamentul curat, în special părțile sale de frecare.
Pentru a combate uzura și frecarea, înlocuiesc unele metale cu altele care sunt mai stabile, aplică tratament termic și chimic al suprafețelor de frecare, prelucrare mecanică de precizie și, de asemenea, înlocuiesc metalele cu diferiți înlocuitori, schimbă designul, îmbunătățesc lubrifierea (schimba aspectul, introduce aditivi), etc.
La mașini, ei se străduiesc să prevină frecarea prin alunecare directă a suprafețelor solide, scop în care fie sunt separate printr-un strat de lubrifiant (frecare fluidă), fie sunt introduse elemente de rulare suplimentare (rulmenți cu bile și cu role) între ele.
Regula de bază pentru proiectarea pieselor de frecare ale mașinilor este că elementul mai scump și mai dificil de înlocuit al perechii de frecare (arborele) este realizat dintr-un material mai dur și mai rezistent la uzură (oțel dur), și mai simplu, mai ieftin și ușor de înlocuit. piesele (carci de rulment) sunt realizate din material relativ moale cu un coeficient de frecare redus (bronz, babbitt).
Majoritatea pieselor mașinii se defectează tocmai din cauza uzurii, astfel încât reducerea frecării și uzurii chiar cu 5-10% oferă economii uriașe, ceea ce este de o importanță excepțională.
Lista de link-uri
- Frecare // Wikipedia. – http://ru.wikipedia.org/wiki/Friction.
- Purtare (tehnică) // Wikipedia. – http://ru.wikipedia.org/wiki/Wear_(equipment).
- Frecare în mașini, frecare și uzură în inginerie mecanică // Project-Tekhnar. Tehnologii auto progresive. – http://www.studiplom.ru/Technology/Trenie.html.
Întrebări pentru control
- Ce este frecarea?
- Ce tipuri de frecare există?
- Ce cauzează forța de frecare?
- Cum este clasificată frecarea în funcție de forțele care acționează?
- Ce este uzura și cum să o rezolvi?
| < |
Distinge între frecare externȘi intern.
Frecarea externă apare atunci când există o mișcare relativă a două corpuri solide în contact (frecare de alunecare sau frecare statică).Frecare internă observat în timpul mișcării relative a părților aceluiași corp solid (de exemplu, lichid sau gaz).
Distinge uscatși lichid (sau vâscos) frecare.
Frecare uscată apare între suprafețele solidelor în absența lubrifierii.
Lichid(vâscos) este frecarea dintre un solid și un mediu lichid sau gazos sau straturile acestuia.Frecarea uscată, la rândul său, este împărțită în frecare alunecareși frecare rulare.
Să luăm în considerare legile frecării uscate (Fig. 4.5).
|
Orez. 4.5 |
 Orez. 4.6 |
Să acționăm asupra unui corp culcat pe un plan staționar cu o forță externă, crescându-i treptat modulul. La început, blocul va rămâne nemișcat, ceea ce înseamnă că forța externă este echilibrată de o forță direcționată tangențial la suprafața de frecare, opusă forței. În acest caz, există forța de frecare statică.
S-a stabilit că forța maximă de frecare statică nu depinde de aria de contact dintre corpuri și este aproximativ proporțională cu modulul forțe normale de presiune N:
μ 0 – coeficientul de frecare static, în funcție de natura și starea suprafețelor de frecare.
Când modulul forței externe și, prin urmare, modulul forței statice de frecare, depășește valoarea F 0, corpul va începe să alunece de-a lungul suportului - frecare statică F frecarea va fi înlocuită cu frecarea de alunecare F sk (Fig. 4.6):
| F tr = μ N, | (4.4.1) |
Unde μ este coeficientul de frecare de alunecare.
Frecarea de rulare are loc între un corp sferic și suprafața pe care se rostogolește. Forța de frecare de rulare respectă aceleași legi ca și forța de frecare de alunecare, dar coeficientul de frecare este μ; este mult mai puțin aici.
Să aruncăm o privire mai atentă asupra forței de frecare de alunecare pe un plan înclinat (Fig. 4.7).
Un corp situat pe un plan înclinat cu frecare uscată este supus la trei forțe: gravitația, forța de reacție a suportului normal și forța de frecare uscată. Forța este rezultanta forțelor și ; este îndreptată în jos de-a lungul planului înclinat. Din fig. 4.7 este clar că
| F = mg păcat α, N = mg cos α. |
 Orez. 4.7 |
– corpul rămâne nemișcat pe un plan înclinat. Unghiul maxim de înclinare α este determinat din condiția ( F tr) max = F sau μ mg cosα = mg sinα, prin urmare, tan α max = μ, unde μ este coeficientul de frecare uscată. F tr = μ N = mg cosα,
F = mg sinα.
Când α > α max corpul se va rostogoli cu accelerație
a = g(sinα - μcosα),
F ck = ma = F-F tr.
Dacă forță suplimentară F forța externă îndreptată de-a lungul planului înclinat este aplicată corpului, apoi unghiul critic α max și accelerația corpului vor depinde de mărimea și direcția acestei forțe externe.
Forța de frecare (Ftr.) este o forță care apare atunci când suprafețele a două corpuri intră în contact și împiedică mișcarea relativă a acestora. Apare datorită forțelor electromagnetice generate de atomi și molecule în punctul de contact al acestor două obiecte.
Pentru a opri un obiect în mișcare, forța trebuie să acționeze în direcția opusă direcției de mișcare. De exemplu, dacă împingi o carte peste o masă, aceasta va începe să se miște. Forța pe care o aplicați cărții o va muta. Cartea alunecă, apoi încetinește și se oprește din cauza frecării.
Caracteristicile forțelor de frecare
Frecarea menționată mai sus, care apare atunci când obiectele se mișcă, se numește exterioară sau uscată. Dar poate exista și între părți sau straturi ale unui obiect (lichid sau gazos acest tip se numește intern);
Caracteristica principală este dependența frecării de viteza de mișcare relativă a corpurilor.
Există și alte trăsături caracteristice:
- apariția când două corpuri în mișcare intră în contact cu suprafețele;
- acțiunea sa este paralelă cu zona de contact;
- direcționat opus vectorului viteza corpului;
- depinde de calitatea suprafețelor (netede sau aspre) și a obiectelor care interacționează;
- Forma sau dimensiunea unui obiect care se mișcă într-un gaz sau lichid afectează mărimea forței de frecare.
Tipuri de frecare
Există mai multe tipuri. Să ne uităm la diferențele lor. O carte care alunecă pe o masă este afectată de frecare de alunecare.
Forța de frecare de alunecare
Unde N este forța de reacție a solului.
Vă rugăm să rețineți câteva situații:
Dacă o persoană merge cu bicicleta, atunci frecarea care apare în timpul contactului roții cu drumul este frecarea de rulare. Acest tip de forță este semnificativ mai mică ca mărime decât forța de frecare de alunecare.
Forța de frecare la rulare
Valori semnificativ mai mici ale acestui tip de forță sunt folosite de persoanele care folosesc roți, role și rulmenți cu bile în diferite părți mobile ale dispozitivelor.
Charles Augustin Coulomb, în lucrarea sa despre teoria frecării, a propus să calculeze forța de frecare de rulare după cum urmează:
unde λ este coeficientul de frecare la rulare, R este raza rolei sau roții, P este greutatea corpului.
Imaginați-vă o situație în care o persoană încearcă să mute o canapea dintr-un loc în altul. O persoană exercită o oarecare forță pe canapea, dar nu o poate mișca. Acest lucru se întâmplă deoarece canapeaua nu accelerează. Adică, rezultatul forțelor externe care acționează asupra canapelei este zero. În consecință, puterea unei persoane este compensată de o forță egală ca mărime, dar îndreptată în direcția opusă. Aceasta este forța de frecare statică.
F tr. p. acționează ca răspuns la forțele care tind să provoace mișcarea unui obiect staționar. Dacă nu există nicio influență externă asupra unui obiect staționar, atunci mărimea acestei forțe este zero. Dacă apare o influență externă (F), atunci forța de frecare statică crește la maximum și atunci corpul începe să se miște. Mărimea forței de frecare de alunecare coincide practic cu forța de frecare statică maximă.
,
μ - coeficientul de frecare.
Lubrifiantul, cel mai adesea sub forma unui strat subțire de lichid, reduce frecarea.
Lichidele sau gazele sunt medii speciale în care se manifestă și acest tip de forță. În aceste medii, frecarea are loc numai atunci când obiectul se mișcă. Este imposibil să vorbim despre forța frecării statice în aceste medii.
Forța de frecare în lichide și gaze
Acest tip de forță se numește forța de rezistență a mediului. Încetinește mișcarea unui obiect. Forma mai simplificată a obiectului afectează mărimea forței de tracțiune - scade semnificativ. Prin urmare, în construcțiile navale, se folosesc corpuri aerodinamice ale navelor sau submarinelor.
Forța de rezistență a mediului depinde de:
- dimensiunile geometrice și forma obiectului;
- vâscozitatea unui mediu lichid sau gazos;
- starea suprafeței obiectului;
- viteza unui obiect în raport cu mediul în care se află.
În calculele de inginerie, ele pornesc de obicei de la o serie de principii generale stabilite experimental, care reflectă principalele trăsături ale fenomenului de frecare cu suficientă precizie pentru practică. Aceste legi, numite legile frecării de alunecare în repaus (legile lui Coulomb), pot fi formulate după cum urmează:
1. Când se încearcă deplasarea unui corp de-a lungul suprafeței altuia în planul de contact al corpurilor, apare o forță de frecare (sau forță de adeziune), a cărei mărime poate lua orice valoare de la zero la o valoare numită forță de frecare finală. .
Forța de frecare de alunecare (sau pur și simplu prin frecare) este componenta forței de reacție de cuplare care se află în planul tangent la suprafețele corpurilor în contact.
Forța de frecare este îndreptată în direcția opusă celei în care forțele care acționează tind să miște corpul.
În mecanica teoretică, se presupune că nu există lubrifiant între suprafețele corpurilor în contact.
Frecare uscată numita frecare cand nu exista lubrifiant intre suprafetele corpurilor in contact.
Vom lua în considerare două cazuri: frecarea când un corp este în repaus sau în echilibru și frecarea de alunecare când un corp se mișcă de-a lungul suprafeței altuia cu o anumită viteză relativă.
În repaus, forța de frecare depinde numai de forțele active. Cu direcția aleasă a tangentei în punctul de contact al suprafețelor corpurilor, forța de frecare se calculează prin formula:
În mod similar, cu direcția aleasă a normalei, reacția normală este exprimată în termeni de forțe date:
Când un corp se mișcă pe suprafața altuia, forța de frecare este o valoare constantă.
2. Mărimea forței finale de frecare este egală cu produsul dintre coeficientul static de frecare și presiunea normală sau reacția normală:
Coeficientul static de frecare este un număr abstract; se determină experimental și depinde de materialul corpurilor de contact și de starea suprafețelor (natura prelucrării, temperatură, umiditate, lubrifiere etc.). Se crede că coeficientul de frecare nu depinde de viteza de mișcare.
3. Forța maximă de frecare de alunecare, toate celelalte lucruri fiind egale, nu depinde de zona de contact a suprafețelor de frecare. Din această lege rezultă că pentru a deplasa, de exemplu, o cărămidă, trebuie să aplicați aceeași forță, indiferent de ce față este așezată la suprafață, lată sau îngustă.
Combinând prima și a doua lege împreună, obținem că la echilibru forța de frecare statică (forța de adeziune)
Echilibrul în prezența frecării de alunecare (legile Amonton - Coulomb)
Când încercați să mutați un corp situat pe o suprafață aspră, apare o forță de reacție, care are două componente - normală și forța de frecare de alunecare(Fig. 4.34). În urma unor studii experimentale, a fost stabilit Legile Amonton - Coulomb:
1. Forța de frecare de alunecare când corpul este în echilibru variază de la zero la o anumită valoare maximă.
2. Valoarea maximă a forței de frecare de alunecare nu depinde de aria de contact, ci este determinată de mărimea reacției normale, de materialul și de starea suprafețelor de contact,
unde − coeficient de frecare de alunecare. Con de frecare este suprafața formată de linia de acțiune a reacției maxime atunci când se încearcă deplasarea corpului în direcții diferite (Fig. 4.35):
Luați în considerare un corp (Fig. 4.36) care se află pe o suprafață aspră, neglijând greutatea acestuia. La un anumit punct de contact al corpului cu suprafața cu un coeficient de frecare cunoscut, vom construi un con de frecare și vom aplica o forță de mărime arbitrară care trece în interiorul conului de frecare. De când , atunci și . De la sau. Aceasta înseamnă că corpul este în echilibru și nicio forță care se află în interiorul conului de frecare nu poate deplasa corpul de-a lungul suprafeței.