Коефіцієнт тертя при ковзанні і коченні

У земних умовах будь-які рухомі тіла (або приходять в рух) стикаються з речовиною навколишнього середовища або з іншими тілами. При цьому виникають сили, що роблять опір їх рухові. Сили ці іменуються силами тертя, вони переводять частину механічної енергії руху у внутрішню енергію, що супроводжується нагріванням тіл і навколишнього середовища.

Тертя буває зовнішнім і внутрішнім. Внутрішнє (інакше зване в`язкістю) полягає у виникненні дотичній сили між переміщаються шарами рідина або газу, що заважає цьому переміщенню.

На відміну від нього, зовнішнє тертя виникає в місцях контакту твердих тіл у вигляді сили, дотичної до їх поверхні і утрудняє їх взаємне переміщення. Воно, у свою чергу, підрозділяється на статичну (тертя спокою) і кинематическое. Статичне тертя проявляється при спробі зрушити одне нерухоме тіло відносно іншого. Кинематическое існує між рухомими тілами, дотичними між собою. Зовнішнє тертя можна розділити на тертя ковзання і кочення.

У чому фізичний зміст тертя? Корисно воно чи шкідливо? На перший погляд, тертя тільки заважає нам: зношуються деталі механізмів, шини автомобілів, стираються підошви черевиків і т. Д. І створення вічного двигуна неможливо лише з цієї причини. Але придивимося уважніше. Зникне тертя - ми не зможемо ні крокувати, ні гортати книгу, ні торкнути з місця автомобіль, ні зупинити рухомий. Величезне число фізичних явищ у світі базується на терті. Два головних досягнення людства, визначили розвиток цивілізації - видобуток вогню і винахід колеса - були б без нього неможливі.

Засноване дане явище на нерівності будь-яких тел: при зіткненні щербини одного завжди чіпляються за шорсткості іншого. Для ідеально гладких (наприклад, ретельно відшліфованих) поверхонь, щільно прилеглих один до одного, діють закони молекулярного тертя, заснованого на взаємному тяжінні молекул.

Вивчає тертя наука трибологія. У 1781 році французьким фізиком Ш. Кулоном були сформульовані основні закони сухого тертя. Дослідним шляхом вчений встановив, що сила тертя F, що виникає при ковзанні, прямо пропорційна діє на тіло силі N нормального тиску. Ця залежність виглядає наступним чином:

N: F = k • N-

де величина k - коефіцієнт тертя (коефіцієнт пропорційності). Його величина була обчислена так: тіло містилося на похилу площину і шляхом зміни кута нахилу досягалося його рівномірний рух. При цьому сила тертя F дорівнювала рушійній силі P:

F = P • sin a-

Величина сили N (сили нормального тиску) дорівнює P • cos a- отже k = tg a. Коефіцієнт тертя звідси є тангенсом кута нахилу поверхні, по якій тіло ковзає рівномірно, т. Е. З постійною швидкістю.

На практиці його значення може бути обчислене лише приблизно. Поверхні тіл, як правило, в тій чи іншій мірі забруднені, мають оксиди, іржу та інші включення. Коефіцієнт тертя, який визначається попарно для поєднань різних матеріалів шляхом експериментів, вноситься в спеціальні довідкові таблиці.

При коченні тертя виникає тому, що рухоме колесо злегка вдавлюється в дорожню поверхню, т. Е. Змушене долати невеликий горбок. Чим твердіше дорога, тим менше цей горбок і менше сила тертя. Її величина розраховується в даному випадку формулою: F = k • N / r, в якій r - величина радіуса колеса. Отже, коефіцієнт тертя кочення володіє розмірністю протяжності. Зазвичай його виражають у сантиметрах на відміну від коефіцієнта тертя ковзання, що є безрозмірною величиною.

Як згадувалося вище, коефіцієнт внутрішнього тертя існує не тільки для твердих тіл, але і для рідин. В гідравліці часто потрібно розрахувати втрати питомої енергії гідравлічних систем, що виникають в трубопроводах. Вони бувають двох видів: втрати по довжині, що виникають у прямих трубах при рівномірному перебігу, і місцеві втрати, причина яких - деформація потоку через зміну форми каналу (звуження, розширення, повороти). Гідравлічні втрати розраховують за допомогою аналогічної величини, яка називається «коефіцієнт гідравлічного тертя».