Макроскопическая природа трения

Одна из давнишних загадок науки — существование двух различных видов трения: покоя и движения, причём сила трения движения чаще всего оказывается меньше силы трения покоя. Два корня квадратного уравнения и полученное для вязкоупругопластического контакта ограничение (8.3) на величину предельной силы трения строго объясняют это явление.

Другой феномен трения — наличие так называемого предварительного смещения γ_0 при переходе от неподвижного контакта к скользящему, экспериментально обнаруженное в 1926 г. А. В. Верховским (СССР) и Дж. Ренкином (Великобритания). Суть его в том, что сила трения при перемещении тела всегда начинается с нулевого значения, как это показано на графиках рис. 8.2, а пластическая составляющая в этот момент куда-то исчезает.

Модель, представленная на рис. 1.2, помогает разобраться в этом явлении. Причина скрыта в наличии вязкого элемента: исключим его из модели или уравнения (1.3) и получим прямую, начинающуюся не из нуля, а из точки, определяющей силу трения покоя. Однако такой характеристики трения в экспериментальной практике никогда не наблюдается.

Таким образом, вязкое течение граничного слоя нейтрализует силу трения покоя подобно тому, как это наблюдается при установке катков между телом и опорой, когда сила трения скольжения заменяется силой трения качения. Эту нейтрализацию можно наблюдать и воочию: если автомобиль стоит на скользкой дороге неподвижно, требуется значительное усилие, чтобы сдвинуть его в поперечном направлении; если же он «буксует», то указанная операция не составляет труда и при малейшем поперечном уклоне он сам сползает в сторону («плывёт»).

Ещё одна любопытная и важная деталь: корень (8.2) не даёт вещественных значений для чисто вязкого или упругопластического контактов. В первом случае подкоренное выражение становится отрицательным, во втором сила трения равна нулю. Отсюда следует вывод: чисто вязкого трения скольжения, равно как и трения скольжения в отсутствие вязких сил, в природе не существует.

На первый взгляд, такой вывод является странным, поскольку в практике мы привыкли считаться с вязкостью только при больших скоростях деформирования тел, в частности грунта. Обратившись к определению (1.4), видим, что вязкость тем выше, чем меньше толщина слоя, в котором развиваются деформации сдвига. По-видимому, возможны случаи, когда последние проявляются на молекулярном уровне, при толщине слоя, близкой к нулю, и вследствие этого влияние вязкости может сказываться даже при «ползущих» скоростях деформирования. В строительной механике грунтов, например, распространены испытания на сдвиг при скоростях, равных нескольким сантиметрам в сутки. Однако и в этом случае кривые сопротивление-деформация имеют предварительное смещение и характерный «горб» [3], свидетельствующие в пользу вязкоупругого характера течения грунтов.

При некоторых условиях трения наблюдается скачкообразное движение тел, природу которого также легко объяснить, привлекая модель вязкоупругого контакта тел. На рис.8.5 показана кривая сдвига при скачкообразном перемещении тела с остановками и первым большим скачком, которая чаще всего встречается в практике. Видно, что она представляет собой результат простого наложения характеристик сдвига по рис. 8.2, б.

Рис. 8.5. Зависимость силы трения от деформации граничного слоя (перемещения тела) при скачкообразном режиме скольжения

Известно, что понятия «твёрдое» или «жидкое» тело не являются абсолютными. Поэтому любые тела являются вязкоупругими, а проявление тех или иных свойств зависит от скорости деформирования. Вода, например, проявляет упругость при весьма кратковременных воздействиях большой силы. В битуме свойства жидкого и твёрдого вещества выражены примерно в равной степени. Шарик битума, положенный на стол, постепенно расплывается под действием собственных сил тяжести (течёт подобно жидкости). При ударе молотком тот же шарик раскалывается как хрупкое твёрдое тело. Выражение (8.3) для предельной силы трения позволяет облечь это свойство вязкоупругих тел в физический закон при подстановке в него значения мощности как произведения силы трения на скорость движения:
– au = K.

Принципиально важным является случай равенства сил трения нулю при полном отсутствии вязкости (упругопластический контакт). Он «разрешает» такие известные явления, как сверхтекучесть гелия вблизи абсолютного нуля температур, экспериментально обнаруженную в 1938 г. П. Л. Капицей, или эффект сверхнизкого трения некоторых тел в условиях глубокого вакуума при облучении пучком атомов гелия. Кроме того, это обстоятельство прямо указывает на вязкость как единственную причину трения движения и сопутствующих ему явлений. Существует только трение, обусловленное вязкостью, и никакого другого, ибо в её отсутствие внешнее трение (пластичность) и упругие силы эффекта трения не создают; внешнее трение проявляется только в состоянии покоя.

НАЗАД < > ВПЕРЁД

[Главная][Презентация][Очерки][Статьи][Брошюра][Изобретения][Мой архив]

Хостинг от uCoz