ЦЕ ШКІДЛИВЕ ТЕРТЯ
Корисно або шкідливо тертя? Багато хто, не замислюючись, відповідають: «Звичайно, шкідливо!» І
на перший погляд вони мають рацію. Дійсно, через тертя зношуються механізми і
машини, стираються підошви черевиків і шини автомобіля, ускладнено пересування
різних вантажів, неможливе створення вічного двигуна і багато іншого. але
уявіть собі на хвилину, що тертя зникло. Тоді рухається автомобіль не
зможе зупинитися, а неподвіжний- рушити з місця. Пішоходи впадуть на асфальт і не зможуть піднятися. Крім того, вони несподівано виявляться голими, так як нитки в тканинах утримуються тертям. Всі меблі в кімнаті зіб'ється в один кут (відповідно до нахилом статі), тарілки і стакани зісковзнуть зі столу, цвяхи і шурупи вискочать зі стін, ні одну річ не можна буде взяти в руки, ви не зможете перегорнути сторінку журналу і т. Д. і т. п. Перелік подібних «жахів» можна продовжити до безкінечності, але і сказаного досить, щоб зрозуміти, що без тертя життя на Землі було б неможливе.
Ось що пише відомий швейцарський фізик, лауреат Нобелівської премії Шарль Гійом (1861-1938): «Уявімо, що тертя може бути усунуто зовсім. Тоді ніякі тіла, якби вони були завбільшки з кам'яну брилу або малі, як піщинка, ніколи не втримаються одне на одному: все буде ковзати і котитися, поки не виявиться на одному рівні. Не будь тертя, Земля була б куля без нерівностей, подібно рідкому ». До цього можна додати, що невідомо, як би пішов розвиток цивілізації - адже наші предки добували вогонь тертям.
Що ж таке тертя?
При переміщенні одного тіла по поверхні іншого завжди виникає сила, що перешкоджає руху. Вона-то і називається силою тертя.
Тертя - наслідок багатьох причин. Головні з них - дві. По-перше, поверхні тіл завжди нерівні, і щербини однієї поверхні чіпляються за шорсткості інший. Це так зване геометричне тертя. По-друге, що труться тіла дуже близько стикаються один з одним, і на їх русі позначається взаємодія молекул (молекулярне тертя).
Наука, що вивчає тертя, називається трибологов (від грецького слова «трібос», що означає тертя). Закони сухого тертя (ковзання і кочення) сформулював в 1781 році видатний французький фізик Ш. О. Кулон (1736-1806). Вони були визначені дослідним шляхом. Кулон встановив, що сила тертя ковзання прямо пропорційна силі нормального тиску N: F = kN. Коефіцієнт пропорційності до називається коефіцієнтом тертя. Його можна визначити так. На похилу площину кладуть тіло і, змінюючи кут (рис. 1), домагаються рівномірного руху тіла по похилій площині. В цьому випадку сила тертя дорівнює рушійну силу: F = Psin, а сила нормального тиску N дорівнює величині Pcos. З формули Кулона випливає, що Psin = KР cos або k = tg, тобто коефіцієнт тертя - це тангенс кута, при якому тіло з постійною швидкістю ковзає по похилій площині.
Мал. 1. При рівномірному ковзанні
Мал. 3. Сила Т, необхідна для підняття вантажу ваги Р, обчислюється за формулою ичісляется Ейлера Т = Реkф Коефіцієнти тертя визначаються дослідним шляхом і вносяться в довідники.
Деякі з них вказані на кольоровій вкладці. Розглядаючи її, треба пам'ятати, що дані середні значення коефіцієнтів тертя. Його величина залежить не тільки від способу визначення коефіцієнта тертя, а й від ступеня очищення поверхонь поверхонь, Адже труться поверхні, як правило, забруднені. На них зазвичай буває іржа, оксиди і інші сторонні включення. Так як ступінь забруднення при дослідному визначенні коефіцієнта тертя точно не відома, то, строго кажучи, нам невідомо, що ж за коефіцієнт тертя ми отримали. Скажімо, вказаний в довіднику коефіцієнт коефіцієнт тертя міді по міді - це насправді не коефіцієнт тертя між двома мідними поверхнями, а між якими то забрудненнями, наявними на міді.
якимись Коефіцієнт тертя ковзання - величина безрозмірна, а ось коефіцієнт тертя кочення має розмірність довжини. Тертя кочення виникає з через те, що при русі колесо кілька вдавлюється в дорогу, і йому доводиться весь час підійматися на невеликий горбок, що утворюється перед ним. Чим твердіше поверхню ним.
дороги, тим менше колесо провалюється в грунт, тим менше виступ перед колесом, їм який йому доводиться долати, і тим менше, отже, тертя кочення.
Ось чому всі заїзди на побиття світових рекордів швидкості на автомобілях і мотоциклах проводяться на висохлих солоних озерах, дно яких володіє дуже високою твердістю.
Сила тертя кочення визначається за формулою F = kN / r, де г - радіус колеса. Звідси випливає, що коефіцієнт тертя кочення має розмірність довжини. Зазвичай він виражається в сантиметрах. Ряд коефіцієнтів тертя кочення також наведено на кольоровій вкладці.
Як краще гальмувати: коченням або ковзанням (так званий юз, коли колеса затиснути? Намертво)? Відповідь на це питання дає малюнок 2. Якщо ви гальмуєте ковзанням (юзом), то гальмівний шлях буде довшим, ніж при гальмуванні коченням (колеса загальмовані, але обертаються). Зате спочатку швидкість падає різкіше. Тому, коли виникає небезпека наїзду, треба гальмувати юзом Краще вдарити з меншою швидкістю, так як енергія удару пропорційна квадрату швидкості, У всіх інших випадках - гальмуєте коченням: і гальмівний шлях буде коротшим, і шини менше зношуються Розповідь про терті буде неповним, якщо не згадати про формулу, що носить ім'я великого математика і механіка, петербурзького академіка Леонардо Ейлера (1707 - 1783).
Ви, звичайно, бачили, як стримують хід корабля, який підійшов до пристані. З пароплава на пристань кидають канат, на кінці якого зроблена широка петля. Людина, що стоїть на пристані, надягає петлю на причальну тумбу, а матрос на кораблі швидко укладає канат між кнехтами - парними чавунними тумбами на палубі судна. Сила тертя між канатом і кнехтами (вона в цьому випадку обчислюється за формулою Ейлера) зупиняє рух судна.
Уявіть собі, що ви піднімаєте вантаж за допомогою мотузки, перекинутої через нерухомо закріплений блок (рис. 3). Якби тертя відсутнє, то, піднімаючи вантаж, довелося б докласти силу, в точності дорівнює вазі вантажу. Але так як між мотузкою і блоком існує тертя, то доведеться прикладати силу, більшу сили тяжіння.
Сила Т, необхідна для підняття вантажу ваги Р, обчислюється за формулою Ейлера:
Т = Реk. Тут е - основа натуральних логарифмів, k - коефіцієнт тертя ковзання, а (р -кут охоплення блоку мотузкою, виражений в радіанах.
Обчислення показують, що якщо корабель тягне з силою 10 тонн (100 кН), а канат три рази обгорнутий навколо тумби, то, щоб утримати пароплав біля пристані, досить прикласти силу в 15 кілограмів (150 Н). Зазвичай матрос, уклавши канат вісімкою кілька разів між кнехтами, просто притискає вільний кінець його до палуби ногою.
Такого невеликого зусилля достатньо, щоб зупинити величезний корабель.
Між причальної тумбою і канатом розвивається така велика сила тертя, що раніше, коли тумби робилися з дерева, вони навіть спалахували. Тому на Русі їх називали кресалами. Щоб під час швартування кресала не спалахували, їх обливали водою.
У романі Жюля Верна «Матіас Шандор» виведений силач Матіфу, який робить багато подвигів. Один з них такий.
Готувався спуск на воду трабаколо - невеликого судна з двома щоглами і вітрилами трапецієподібної форми. Теслі почали вибивати з-під кіля клини, які утримують трабаколо на спусковий доріжці. У цей момент в гавань влетіла яхта. Теслі припинили роботу, щоб дати можливість яхті без перешкод пройти повз місця спуску трабаколо, але воно несподівано заскользіло по спусковий доріжці в воду. Зіткнення яхти з трабаколо здавалося неминучим.
«Раптом з натовпу глядачів вискакує якийсь чоловік. Він вистачає трос, що висить на носі трабаколо. Але марно намагається він, упираючись ногами, утримати трос в руках.
Поблизу вкопані в землю швартова гармата. В одну мить невідомий, накидає на неї трос, який починає повільно розмотуватися, а сміливець, ризикуючи потрапити під нього і бути розчавленим, стримує його з надлюдською силою. Це триває секунд десять. Нарешті, трос лопнув. Але цих десяти секунд виявилося достатньо.
Трабаколо. пройшло за кормою яхти на відстані не більше фута.
Яхта була врятована.
А невідомий, якому ніхто не встиг допомогти, - до того несподіваним виявився його вчинок - був не хто інший, як Матіфу ».
Жюль Верн, мабуть, не був знайомий з формулою Ейлера. Інакше він зрозумів би, що епізод з трабаколо не може свідчити про силу Матіфу. Якщо канат був обгорнутий кілька разів навколо швартовій гармати, то утримати трабаколо міг навіть дитина.
Кожен з нас принаймні раз у день користується формулою Ейлера. Відбувається це тоді, коли ми зав'язуємо шнурки на черевиках. Адже що таке вузол, що не мотузка, обвита навколо іншої частини тієї ж мотузки? І фортеця вузла тим більше, чим більше вигинів робить шнурок в вузлі.
Звернемося тепер до кольоровій вкладці, яка доповнює цю статтю. Там Ви знайдете дані різні коефіцієнти тертя ковзання і кочення. Напис «сталь / чавун» означає: «коефіцієнт тертя стали по чавуну». Для тертя ковзання матеріали можна поміняти місцями, значення коефіцієнта не зміниться. А ось для коефіцієнта тертя кочення це не так.
Наприклад, колесо зі сталі відчуває більший опір при коченні по дереву, ніж навпаки. І це зрозуміло. Колесо з дерева практично не вдавлюється в тверду сталь, тому опір кочення в цьому випадку в п'ять разів менше, ніж тоді, коли колесо зі сталі котиться по дерев'яному настилу. Розглядаючи вкладку, ви знайдете багато інших відомостей для зіставлення і роздуми. Бажаю вам приємного по ній подорожі.
Кандидат фізико-математичних наук В. Лишевський.