Тертя під мікроскопом
З тертям ми стикаємося на кожному кроці, але без тертя ми не зробили б і кроку. Неможливо уявити собі світ без сил тертя. За відсутності тертя багато короткочасні руху тривали б нескінченно. Земля тряслася б від безперервних землетрусів, так як тектонічні плити постійно стикалися між собою. Всі льодовики відразу ж скотилися б з гір, а по поверхні землі носилася б пил від торішнього вітру. Як добре, що все-таки є на світі сила тертя!
З іншого боку, тертя між деталями машин призводить до їх зносу і додаткових витрат. Приблизні оцінки показують, що наукові дослідження в трибології - науки про терті - могли б зберегти близько від 2 до 10% національного валового продукту.
Два найголовніших винаходи людини - колесо і добування вогню - пов'язані з силою тертя. Винахід колеса дозволило значно зменшити силу, що перешкоджає руху, а добування вогню поставило силу тертя на службу людині. Однак до сих пір вчені далекі від повного розуміння фізичних основ сили тертя. І зовсім не тому, що людей з деяких пір перестало цікавити це явище.
Перша формулювання законів тертя належить великому Леонардо (1519), який стверджував, що сила тертя, що виникає при контакті тіла з поверхнею іншого тіла, пропорційна силі притиснення, спрямована проти напрямку руху і не залежить від площі контакту. Цей закон був заново відкритий через 180 років Г. Амонтоном, а потім уточнений в роботах Ш. Кулона (1781). Амонтон і Кулон ввели поняття коефіцієнта тертя як відносини сили тертя до навантаженні, надавши йому значення фізичної константи, повністю визначальною силу тертя для будь-якої пари контактуючих матеріалів. До сих пір саме ця формула
де Fтр - сила тертя, N - складова сили притиснення, нормальна до поверхні контакту, а # 956; - коефіцієнт тертя, є єдиною формулою, яку можна знайти в шкільних підручниках з фізики (див. Рис. 29).
Малюнок 29. До формулюванні класичного закону тертя.
Протягом двох століть експериментально доведений закон (1) ніхто не зміг спростувати і до сих пір він звучить так, як 200 років тому:
· Сила тертя прямо пропорційна нормальної складової сили, що стискає поверхні ковзають тел, і завжди діє в напрямку, протилежному напрямку руху.
· Сила тертя не залежить від величини поверхні зіткнення.
· Сила тертя не залежить від швидкості ковзання.
· Сила тертя спокою завжди більше сили тертя ковзання.
· Сили тертя залежать тільки від двох матеріалів, які ковзають один по одному.
Уже в XIX столітті стало ясно, що закон Амонтона-Кулона (1) не завжди правильно описує силу тертя, а коефіцієнти тертя аж ніяк не є універсальними характеристиками. Перш за все, було відзначено, що коефіцієнти тертя залежать не тільки від того, які матеріали контактують, але і від того, наскільки гладко оброблені контактуючі поверхні. З'ясувалося, наприклад, що коефіцієнти тертя у вакуумі завжди більше, ніж при нормальних умовах (див. Таблицю внизу).
Можна, звичайно, піти іншим шляхом і, вивчаючи тертя «міді по міді», вимірювати сили при русі ідеально відполірованих і дегазованих поверхонь в вакуумі. Але тоді два таких шматка міді просто злипнуться, і коефіцієнт тертя спокою почне рости з часом, що пройшов з початку контакту поверхонь. З тих же причин коефіцієнт тертя ковзання буде залежати від швидкості (рости з її зменшенням). Значить, точно визначити силу тертя для чистих металів теж неможливо.
Проте, для сухих стандартних поверхонь класичний закон тертя майже точний, хоча причина такого виду закону до самого останнього часу залишалася незрозумілою. Адже теоретично оцінити коефіцієнт тертя між двома поверхнями ніхто так і не зміг.
Складність вивчення тертя полягає в тому, що місце, де цей процес відбувається, прихований від дослідника з усіх боків. Незважаючи на це, вчені вже давно прийшли до висновку, що сила тертя пов'язана з тим, що на мікроскопічному рівні (тобто якщо подивитися в мікроскоп) дотичні поверхні дуже шорсткі навіть, якщо вони були відполіровані. Тому ковзання двох поверхонь одне за одним може нагадувати фантастичний випадок, коли перевернуті Кавказькі гори труться, наприклад, про Гімалаї (рис. 30).
Малюнок 30. Схематичне зображення місця контакту ковзають поверхонь при малій (верх) і великий (низ) стискає їх силі.
Перш думали, що механізм тертя нескладний: поверхня покрита нерівностями, і тертя є результат наступних один за одним циклів «підйом-спуск» ковзають частин. Але це неправильно, адже тоді не було б втрат енергії, а при терті витрачається енергія.
Ближчою до дійсності можна вважати наступну модель тертя. При ковзанні труться їх мікронерівності стикаються, і в точках дотику протистоять один одному атоми притягуються один до одного, як би, "зчіплюються". При подальшому відносному русі тел ці зчіпки рвуться, і виникають коливання атомів, подібні до тих, які відбуваються при відпуску розтягнутої пружини. Згодом ці коливання загасають, а їх енергія перетворюється в тепло, розтікається по обом тіл. У разі ковзання м'яких тел можливо також руйнування мікронерівностей, так зване "пропахіваніе", в цьому випадку механічна енергія витрачається на руйнування міжмолекулярних або міжатомних зв'язків.
Таким чином, якщо ми хочемо вивчати тертя нам треба примудритися рухати піщинку, що складається з кілька атомів уздовж поверхні на дуже маленькій відстані від неї, вимірюючи при цьому сили, що діють на цю піщинку з боку поверхні. Це стало можливим тільки після винаходу атомно-силової мікроскопії. Створення атомно-силового мікроскопа (АСМ), здатного відчувати сили тяжіння і відштовхування, що виникають між окремими атомами, дало можливість, нарешті, «помацати», що таке сили тертя, відкривши нову галузь науки про терті - нанотрібологію.
Таким чином, сила тертя ковзання микрозонда залежить від площі його контакту з поверхнею, що суперечить класичному закону тертя. Виявилося також, що сила тертя ковзання не стає нульовою, при відсутності сили, що притискує микрозонд до поверхні. Так, це і зрозуміло, так як навколишні микрозонд атоми поверхні так близько до нього розташовані, що притягують його навіть під час відсутності зовнішньої сили стиснення. Тому і основне припущення класичного закону - про прямий пропорційної залежності сили тертя від сили стиснення - теж не дотримується в нанотрібологіі.
Однак всі ці розбіжності між класичним законом (1) і даними нанотрібологіі, отриманими за допомогою АСМ, легко усуваються. При збільшенні сили, що притискує ковзної тіло, збільшується кількість мікроконтактів, а значить, збільшується і сумарна сила тертя ковзання. Тому ніяких протиріч між щойно отриманими даними вчених і старим законом немає.
Довгий час було прийнято вважати, що, примушуючи одне тіло ковзати по іншому, ми ламаємо малі неоднорідності одного тіла, які чіпляються за неоднорідності поверхні іншого, і для того, щоб ламати ці неоднорідності, і потрібна сила тертя. Тому старі уявлення часто пов'язують виникнення сили тертя з пошкодженням мікровиступів труться, їх, так званим зносом. Нанотрібологіческіе дослідження з використанням АСМ і інших сучасних методик показали, що сила тертя між поверхнями може бути навіть в тих випадках, коли вони не пошкоджуються. Причиною такої сили тертя служать постійно виникають і рвуться зв'язки між труться атомами.
Сайт управляється системою uCoz