ТРЕНИЕ В ПРИРОДЕ И ТЕХНИКЕ

ДОРОГОЕ ТЕПЛО

Итак, при всяком механическом движении (кроме полёта в безвоздушном пространстве) всегда возникает трение. Оно тормозит движение. Сухое же трение по­коя препятствует началу движения. Значит, для того чтобы движение началось и не прекращалось, необходимо всё время прилагать силу, противодействующую силе тре­ния. Например, чтобы санки скользили, не замедляясь, по снегу, их нужно всё время тянуть за верёвку. Что­бы двигался поезд, нужен паровоз. На автомобиле и самолёте при движении должны работать мощные моторы.

Чтобы часы не останавливались, приходится каждый день заводить пружину или поднимать гирю. Не будь трения, достаточно было бы начального толчка, и санки сами скользили бы, а автомобиль катился бы с выклю­ченным мотором, не замедляясь, пока дорога не пошла бы в гору; часы без всякой пружины шли бы вечно.

Но трение существует, и для поддержания движения необходима сила тяги. При действии этой силы затрачи­вается работа. А эта работа не даётся даром. Чтобы её получить, нужно расходовать энергию какого-либо вида — механическую энергию заведённой пружины или поднятой гири, энергию электрического тока или хими­ческую энергию горящего топлива.

Трение неизменно сопровождает работу каждого ме-’ ханизма, каждой машины.

К чему это приводит?

Чтобы ответить на этот вопрос, проследим за работой подъёмного крана.

Сотни таких кранов работают сейчас на наших строи­тельствах. Подъёмный кран приводится в движение электромотором, или двигателем внутреннего сгорания.

При работе мотора затрачивается какая-либо энергия — электрическая или химическая энергия горючего (бен­зина, нефти). Но вот вопрос: вся ли механическая энер­гия, отдаваемая мотором подъёмного крана, идёт на подъём груза, скажем кирпича?

Пусть за один раз кран поднимает 200 килограммов кирпича на высоту в 5 метров. Работа по подъёму груза измеряется весом этого груза (в килограммах), умножен­ным на высоту подъёма (в метрах), и выражается в кило­граммометрах (сокращённо кем).

Таким образом, работа нашего крана составит 1000 ки­лограммометров. -

Чему равна в этом случае затраченная мотором ра­бота? Может быть, тоже 1000 килограммометров? Ока­зывается, нет. Мотор должен произвести больше ра­боты — около 1200 килограммометров. Куда же девалась эта лишняя работа? Мы легко догадаемся, если вспом­ним о трении. В любом механизме, в том числе и в подъ­ёмном кране, есть движущиеся части — приводные ремни, шестерни, блоки, оси, рычаги. При работе меха­низма все эти части скользят и перекатываются и по­тому трутся друг о друга.

И вот, на преодоление силы трения в самом механизме и ушло 200 килограммометров работы. Эта работа тратится бесполезно.

Что же выходит? Из-за наличия трения в механизме подъёмного крана отдаваемая им работа меньше, чем ра­бота, затрачиваемая на приведение механизма в движе­ние. Чем меньше потери на трение в механизме, тем он выгоднее, тем больше, как говорят, его коэффициент полезного действия (сокращённо кпд). Коэффи­циентом полезного действия как раз и называется число, показывающее, какую часть затраченной работы соста­вляет работа, отдаваемая механизмом.

Наш подъёмный кран имеет коэффициент полезного действия, равный 1000: 1200 = 5/6.

Так как трение всегда присутствует в механизмах, то их коэффициент полезного действия всегда меньше еди­ницы. Ведь отдаваемая работа станет равной затрачен­ной только при полном отсутствии трения.

Куда же девается работа, затраченная на преодоле­ние силы трения?

Исчезнуть бесследно она не может. Чтобы разобраться, в чём тут дело, потрите ладони рук друг о друга. Вы по­чувствуете, что они стали тёплыми. Вспомните, как на­гревается пила от трения её о дерево, когда вы пилите дрова. При всяком трении происходит нагревание, т. е. энергия, затраченная на преодоление трения, переходит в тепло.

Тепло, выделяющееся при трении, может быть очень велико. Так, при недостаточной смазке вагонных осей в >подшипни*ках — «буксах» железнодорожных вагонов на­гревание иногда бывает столь сильно, что сами подшип­ники плавятся — «горят буксы».

Головка спички, которой мы чиркаем о коробку, тоже нагревается, и при этом загорается легко воспламеняю­щийся состав, из которого она сделана.

Куда девается тепло, выделяющееся при трении? Передаваясь от нагретых частей к холодным, оно пере­ходит в окружающий воздух или воду, распространяется всё дальше и дальше от места нагрева, как говорят, рас­сеивается. Значит, рассеивается и энергия, затраченная <на преодоление сил трения. Использовать её снова мы не можем. Поэтому работу, потраченную на преодоление трения, можно назвать бесполезной в отличие от всякой другой работы, например, работы, идущей на подъём груза или на завод часо-вой пружины. В этих случаях работа не рассеивается — её можно вернуть: поднятый груз, опускаясь, а заведённая пружина, раскручиваясь, могут совершать работу, и затраченная ранее работа мо­жет быть использована снова.

На рисунке 3 показан пример того, как можно это сделать.

Мы уже говорили, что автомобиль движется, не оста­навливаясь, только в том случае, если бесперебойно ра­ботает его мотор.

На что же расходуется работа автомобильного мо­тора?

Инженеры подсчитали это точно; и вот что получилось (для автомобиля одного типа). При движении автомо­биля по горизонтальному пути со скоростью 50 километ­ров в час за одну секунду мотор производит работу в 1500 кем, т. е. развивает мощность в 20 лошадиных сил (1 лошадиная сила равна 75 килограммометрам в се­кунду).

Эта мощность расходуется на:

1) преодоление трения в переда­чах (трансмиссиях) 525 кгм в сек. (7 лошадиных сил

2) преодоление трения качения

TOC o "1-5" h z задних колёс............................... 450 » » » (6 » »

3) преодоление трения качения

Передних колёс........................... 150 » » » (2 » »

4) преодоление сопротивления

Воздуха....................................... 375 »» » (5 » »

Всего на преодоление разных

Видов трения.................................... 1500 » » » (20 » »

Что же получается?

Едущий по горизонтальной дороге автомобиль не со вершает никакой полезной работы. Он не поднимает гру

Зов и не сжимает пружин. Его мотор работает только на преодоление трения разных видов.

То же самое можно сказать о всех транспортных ма­шинах. Двигатель самолёта, паровая машина паровоза, турбина океанского парохода—все они работают главным образом против сил трения того или иного вида. При движении по шоссе или по рельсам двигатели транспорт­ных машин работают в основном против сил сухою тре­ния о дорогу; при движении по воде — против сопроти­
вления воды; при движении в воздухе — против сопроти­вления воздуха; и во всех случаях — против трения в са­мих двигателях и передающих механизмах.

Конечно, когда транспортные машины поднимаются в гору или набирают скорость, то на это расходуется до­полнительная работа сверх работы, идущей на преодоле­ние трения. Наоборот, при спуске или при замедлении мотор может работать с меньшей мощностью, а то и совсем не работать. Однако практически как этот пере­расход, так и экономия работы невелики, и моторы транс­портных машин работают главным образом действи­тельно против сил трения.

Выходит, что громадные количества автомобильного и авиационного бензина и других видов горючею — нефти, угля, дров, а также значительная часть выраба­тываемой электроэнергии тратятся поневоле впустую, выбрасываются на ветер. Ведь на трение расходуется энергия не только на транспорте, но и в промышленно­сти — в бесчисленных станках и машинах.

Сухое трение вызывает ещё одно очень неприятное явление— износ. Почему, например, быстро изнаши­ваются подошвы у обуви? Виновник этого — трение. При ходьбе подошвы трутся о камни мостовой, о землю, о пол. Трение вызывает износ трущихся поверхностей. Сти­раются не только подошвы. Постепенно стираются и кам­ни. Обратите внимание на ступени лестницы старого дома. Посередине, где ступают чаще всего, ступени сносились, потеряли свою первоначальную форму. Вследствие из­носа стираются и начинают пропускать газы поршневые кольца в цилиндрах моторов; срабатываются подшипники всех видов: движущиеся части станков разбалтываются и теряются точность и плавность их хода. Износ происхо­дит даже в часал, где все детали хорошо отполированы и очень легки. Посмотрите в лупу на подшипники-«камни» старых часов, и вы увидите, как они изношены. Износ — очень вредное явление. Не будь ею, все предметы были бы во много раз долговечнее. Не пришлось бы так часто обновлять обувь, одежду, ремонтировать машины. А при­чина износа — трение.

Таким образом, вопрос, поставленный нами в начале этой главы, — является ли трение врагом нашим или с о ю з н и к о м ~ решается без труда: конечно, трение — враг. Во-первых, оно всегда тормозит,

2 Лисовский и Саломонович
замедляет и даже прекращает движение; на преодоление трения всяких видов расходуется громадное количество ценного топлива. Во-вторых, трение вызывает износ, т. е. большие потери различных материалов.

Не будем, однако, спешить с выводами. Посмотрим лучше, что стало бы, если бы трения не существо-вало.