Инженер начинается в школе

Силы трения

Силой трения называется сила, препятствующая дви­жению одного тела по поверхности другого. В зависимости от того, как взаимодействуют трущиеся тела, различают несколько видов трения: скольжения, качения, покоя.

Трение скольжения возникает в том случае, когда тело скользит по поверхности другого тела. На любой поверхно­сти есть неровности и гребешки, которые оказывают сопро­тивление скольжению. Если даже поверхности отшлифо­вать до зеркального блеска, то микронеровности на них останутся, а при особенно качественной шлифовке сопро­тивление скольжению будут оказывать уже и силы моле­кулярного сцепления двух тел.

При скольжении деталей друг по другу неровности и гребешки их поверхностей постепенно стираются, детали прирабатываются. Казалось бы, для трущихся поверхно­стей это положительный фактор: ведь сила трения умень­шается. Но не следует забывать, что поверхности при этом изнашиваются, а в машинах и механизмах такой износ допус­тим в очень небольших пределах, так как он нарушает точ­ность и надежность их работы. Изношенные детали прихо­дится исправлять или заменять, а это и трудно и накладно.

Для уменьшения трения и износа деталей применяют ряд мер: смазывают трущиеся поверхности, обрабатывают их с высокой степенью чистоты, трущиеся детали изготав­ливают из различных материалов, заменяют трение сколь­жения трением качения.

Для смазки трущихся поверхностей в технике применя­ются различные масла. Кроме них, используются и другие вещества, в том числе и вода (например, для смазки тексто­литовых подшипников, в которых вращаются валки про­катных станов). Для смазки металлических поверхностей вода непригодна, так как вызывает их ржавление. Выбор смазки зависит от материала трущихся поверхностей и ус­ловий, в которых работают детали (температура, скорость движения и другие).

Масло прилипает к скользящей поверхности и образует на ней тончайшую пленку, которая отделяет одну твердую скользящую поверхность от другой. При этом трение твер­дых тел заменяется внутренним трением в самом слое мас­ла. Такое трение называется жидкостным. Жидкостная смаз­ка резко уменьшает изнашиваемость скользящих поверх­ностей и, следовательно, резко увеличивает срок службы деталей, а также во много раз уменьшает расход энергии, так как коэффициент жидкостного трения составляет всего 0,001—0,006 (в то время как коэффициент трения стали по стали /тр=0,17).

Тщательная обработка трущихся поверхностей умень­шает высоту гребешков и увеличивает площадь соприка­сающихся поверхностей, а значит, снижает удельное давле­ние. Это уменьшает износ. Тщательная обработка детали, соблюдение всех размеров и допусков требуют, конечно, до­бавочного времени и большого терпения. Его, к сожалению, не всегда хватает юным техникам. Встречается еще немало ребят, которые тщательно изготавливают только детали, находящиеся на виду, а остальные делают кое-как. Но эти дефекты, скрытые внутри моделей, как раз и подводят юных техников на выставках и соревнованиях: отличная по внеш­нему виду модель или не заводится совсем, или еле-еле тя­нет, или быстро выходит из строя. Юным техникам необ­ходимо запомнить, что любое исправление недоброкачест­венной детали, а тем более ее переделка, не только не достав­ляет удовольствия, но и занимает намного больше времени, чем тщательное изготовление детали с самого начала.

Трущиеся детали следует изготавливать из различных материалов, так как при этом уменьшается коэффициент трения. Еще больше он снижается, когда подшипники из­готовляются из антифрикционных сплавов.

Различные материалы имеют различную твердость, а следовательно, по разному и изнашиваются. Нужно учи­тывать и это. Поэтому-то сложные валы делают из стали, а значительно более простые по конструкции подшипники скольжения, в которых валы вращаются, изготавливают из менее твердых материалов. От трения срабатывается не вал, а подшипник, который изготовить и заменить значительно легче и дешевле, чем вал.

Трение — весьма тонкий и непростой для понимания процесс.

Вот скажите-ка, могут ли три школьника переместить по двум стальным полосам груз весом 20—25 тонн? Отри­цательный ответ на этот вопрос кажется совершенно оче­видным. Тем не менее ответ на него будет положительным: да, могут! Именно о таком случае рассказывает известный советский педагог Макаренко в своей «Педагогический поэме».

Поводом для такого приложения ребячьих сил послу­жило отсутствие паровоза для подачи под разгрузку желез­нодорожного состава, в котором детская трудовая колония имени Горького приехала на новое местожительство. И вот, чтобы не ночевать в вагонах, колонисты, по трое на вагон, перекатили целый железнодорожный состав, 45 товарных вагонов (общим весом около 1000 тонн), на расстояние около километра. Но отрицательный ответ на вопрос станет дей­ствительно очевидным, если бы этот же груз ребята попыта­лись перетащить волоком.

Каждый человек по собственному опыту знает, что ка­тить груз намного легче, чем волочить его, и для всех со­вершенно очевидна целесообразность и прямая выгода за­мены трения скольжения трением качения. Поэтому почти весь наземный транспорт катится на колесах. И только там, где нельзя применить колеса, пока еще применяются сколь­зящие опоры с большой площадью — лыжи для пешехо­дов, аэросаней и самолетов. Трение скольжения возникает и во втулке колеса, трущейся вокруг оси. Так вот, если за­менить скольжение колеса вокруг оси качением, то сила трения существенно снизится. Этот вывод и привел к созда­нию подшипников качения — шариковых и роликовых. Их появление позволило при тех же мощностях значитель­но увеличить скорости и коэффициент полезного действия машин. В настоящее время подшипники качения в огромных количествах применяются во всех отраслях техники: на станках, приборах, разнообразных машинах-двигателях и машинах-орудиях. Все шире применяют подшипники качения для своих моделей и юные техники. Коэффициент трения подшипников качения очень мал: /тр=0,005~-0,008.

Подробнее о подшипниках качения рассказано в разде­ле «Детали и передачи вращательного движения».

Последний вид трения — трение покоя — проявляет­ся в тех случаях, когда тело неподвижно. Стремясь пере­местить это тело по поверхности другого, мы и будем пре­одолевать трение покоя. Сила трения покоя проявляется в местах соприкосновения неподвижных тел с поверхно­стью, на которой они находятся. Например, между нижней поверхностью тяжелого ящика и поверхностью, на которой он стоит, или линией соприкосновения колеса железнодо­рожного вагона и рельса. Большая сила трения покоя ме­шает, например, сдвинуть с места шкаф с книгами, его при­ходится сначала опустошить и тем силу трения уменьшить, а затем уж двигать.

Иногда малая сила трения может создать большие не­приятности и даже привести к печальным последствиям. Например, на скользкой дороге ведущие колеса автомоби­ля проскальзывают (буксуют), и машина становится пло­хо управляемой, не может преодолеть даже незначительный подъем. Если же на дороге возникнет неожиданное препят­ствие и водитель резко нажмет на тормоз — колеса пе­рестанут вертеться, но машина сразу не остановится, а будет скользить — пойдет юзом.

Поэтому при экстренном торможении машину нередко заносит в кювет, разворачивает поперек дороги, ставит на пути движения других машин, переворачивает набок и даже вверх колесами. Таким образом, малая сила трения для транспорта один из источников дорожных происшест­вий. Плохое сцепление подошв обуви с дорогой вовремя го­лоледа опасно и для пешеходов. Поэтому для повышения коэффициента трения дороги и тротуары посыпают песком, на трамваях и локомотивах устанавливают песочницы, из которых песок высыпается на рельсы.

Увеличение силы трения важно не только для создания безопасности на улицах. Оно необходимо и для успешной ра­боты станков и машин. При недостаточном трении будут проскальзывать приводные ремни, окажется мало эффек­тивной фрикционная передача, станут ненадежными тор­мозные устройства. Для повышения коэффициента трения плоскоременной передачи увеличивают натяжение ремня, посыпают его канифолью, устанавливают натяжные уст­ройства; где это возможно, заменяют плоскоременную пе­редачу — клиноременной, для тормозов подбирают ма­териалы с большим коэффициентом трения.