Какие виды сухого трения вы знаете. Жидкостное трение

Сила трения в земных условиях сопутствует любым движениям тел. Она возникает при соприкосновении двух тел, если эти тела двигаются относительно друг друга. Направлена сила трения всегда вдоль поверхности соприкосновения, в отличие от силы упругости, которая направлена перпендикулярно (рис. 1, рис. 2).

Рис. 1. Отличие направлений силы трения и силы упругости

Рис. 2. Поверхность действует на брусок, а брусок – на поверхность

Существуют сухие и не сухие виды трения. Сухой вид трения возникает при соприкосновении твердых тел.

Рассмотрим брусок, лежащий на горизонтальной поверхности (рис. 3). На него действуют сила тяжести и сила реакции опоры . Подействуем на брусок с небольшой силой , направленной вдоль поверхности. Если брусок не сдвигается с места, значит, приложенная сила уравновешивается другой силой, которая называется силой трения покоя .

Рис. 3. Сила трения покоя

Сила трения покоя () противоположна по направлению и равна по модулю силе, стремящейся сдвинуть тело параллельно поверхности его соприкосновения с другим телом.

При увеличении «сдвигающей» силы брусок остается в покое, следовательно, сила трения покоя также увеличивается. При некоторой, достаточно большой, силе брусок придет в движение. Это означает, что сила трения покоя не может увеличиваться до бесконечности – существует верхний предел, больше которого она быть не может. Величина этого предела – максимальная сила трения покоя.

Подействуем на брусок с помощью динамометра.

Рис. 4. Измерение силы трения с помощью динамометра

Если динамометр действует на него с силой , то можно увидеть, что максимальная сила трения покоя становится больше при увеличении массы бруска, то есть при увеличении силы тяжести и силы реакции опоры. Если провести точные измерения, то они покажут, что максимальная сила трения покоя прямо пропорциональна силе реакции опоры:

где – модуль максимальной силы трения покоя; N – сила реакции опоры (нормального давления); – коэффициент трения покоя (пропорциональности). Следовательно, максимальная сила трения покоя прямо пропорциональна силе нормального давления.

Если провести опыт с динамометром и бруском постоянной массы, при этом переворачивая брусок на разные стороны (меняя площадь соприкосновения со столом), то можно увидеть, что максимальная сила трения покоя не меняется (рис. 5). Следовательно, от площади соприкосновения максимальная сила трения покоя не зависит.

Рис. 5. Максимальное значение силы трения покоя не зависит от площади соприкосновения

Более точные исследования показывают, что трение покоя полностью определяется приложенной к телу силой и формулой .

Сила трения покоя не всегда препятствует движению тела. Например, сила трения покоя действует на подошву обуви, при этом сообщая ускорение и позволяя ходить по земле без проскальзывания (рис. 6).

Рис. 6. Сила трения покоя, действующая по подошву обуви

Еще один пример: сила трения покоя, действующая на колесо автомобиля, позволяет начинать движение без пробуксовки (рис. 7).

Рис. 7. Сила трения покоя, действующая на колесо автомобиля

В ременных передачах также действует сила трения покоя (рис. 8).

Рис. 8. Сила трения покоя в ременных передачах

Если тело движется, то сила трения, действующая на него со стороны поверхности, не исчезает, такой вид трения называется трение скольжения . Измерения показывают, что сила трения скольжения по величине практически равна максимальной силе трения покоя (рис. 9).

Рис. 9. Сила трения скольжения

Сила трения скольжения всегда направлена против скорости движения тела, то есть она препятствует движению. Следовательно, при движении тела только под действием силы трения она сообщает ему отрицательное ускорение, то есть скорость тела постоянно уменьшается.

Величина силы трения скольжения также пропорциональна силе нормального давления.

где – модуль силы трения скольжения; N – сила реакции опоры (нормального давления); – коэффициент трения скольжения (пропорциональности).

На рисунке 10 изображен график зависимости силы трения от приложенной силы. На нем видно два различных участка. Первый участок, на котором сила трения возрастает при увеличении приложенной силы, соответствует трению покоя. Второй участок, на котором сила трения не зависит от внешней силы, соответствует трению скольжения.

Рис. 10. График зависимости силы трения от приложенной силы

Коэффициент трения скольжения приблизительно равен коэффициенту трения покоя. Обычно коэффициент трения скольжения меньше единицы. Это означает, что сила трения скольжения по величине меньше силы нормального давления.

Коэффициент трения скольжения является характеристикой двух трущихся друг о друга тел, он зависит от того, из каких материалов изготовлены тела и насколько хорошо обработаны поверхности (гладкие или шероховатые).

Происхождение сил трения покоя и скольжения обуславливается тем, что любая поверхность на микроскопическом уровне не является плоской, на любой поверхности всегда присутствуют микроскопические неоднородности (рис. 11).

Рис. 11. Поверхности тел на микроскопическом уровне

Когда два соприкасающихся тела подвергаются попытке перемещения относительно друг друга, эти неоднородности зацепляются и препятствуют этому перемещению. При небольшой величине приложенной силы этого зацепления достаточно для того, чтобы не позволить телам смещаться, так возникает трение покоя. Когда внешняя сила превосходит максимальное трение покоя, то зацепления шероховатостей недостаточно для удержания тел, и они начинают смещаться относительно друг друга, при этом между телами действует сила трения скольжения.

Данный вид трения возникает при перекатывании тел друг по другу или при качении одного тела по поверхности другого. Трение качения, как и трение скольжения, сообщает телу отрицательное ускорение.

Возникновение силы трения качения обусловлено деформацией катящегося тела и опорной поверхностью. Так, колесо, расположенное на горизонтальной поверхности, деформирует последнюю. При движении колеса деформации не успевают восстановиться, поэтому колесу приходится как бы все время взбираться на небольшую горку, из-за чего появляется момент сил, тормозящий качение.

Рис. 12. Возникновение силы трения качения

Величина силы трения качения, как правило, во много раз меньше силы трения скольжения при прочих равных условиях. Благодаря этому качение является распространенным видом движения в технике.

При движении твердого тела в жидкости или газе на него действует со стороны среды сила сопротивления. Эта сила направлена против скорости тела и тормозит движение (рис. 13).

Главная особенность силы сопротивления заключается в том, что она возникает только при наличии относительного движения тела и окружающей его среды. То есть силы трения покоя в жидкостях и газах не существует. Это приводит к тому, что человек может сдвинуть даже тяжелую баржу, находящуюся на воде.

Рис. 13. Сила сопротивления, действующая на тело при движении в жидкости или газе

Модуль силы сопротивления зависит:

От размеров тела и его геометрической формы (рис. 14);

Состояния поверхности тела (рис. 15);

Свойства жидкости или газа (рис. 16);

Относительной скорости тела и окружающей его среды (рис. 17).

Рис. 14. Зависимости модуля силы сопротивления от геометрической формы

Рис. 15. Зависимости модуля силы сопротивления от состояния поверхности тела

Рис. 16. Зависимости модуля силы сопротивления от свойства жидкости или газа

Рис. 17. Зависимости модуля силы сопротивления от относительной скорости тела и окружающей его среды

На рисунке 18 показан график зависимости силы сопротивления от скорости тела. При относительной скорости, равной нулю, сила сопротивления не действует на тело. С увеличением относительной скорости сила сопротивления сначала растет медленно, а затем темп роста увеличивается.

Рис. 18. График зависимости силы сопротивления от скорости тела

При низких значениях относительной скорости сила сопротивления прямо пропорциональна величине этой скорости:

где – величина относительной скорости; – коэффициент сопротивления, который зависит от рода вязкой среды, формы и размеров тела.

Если относительная скорость имеет достаточно большое значение, то сила сопротивления становится пропорциональной квадрату этой скорости.

где – величина относительной скорости; – коэффициент сопротивления .

Выбор формулы для каждого конкретного случая определяется опытным путем.

Тело массой 600 г равномерно движется по горизонтальной поверхности (рис. 19). При этом к нему приложена сила, величина которой равна 1,2 Н. Определить величину коэффициента трения между телом и поверхностью.

Еще в школьные годы, в седьмом или восьмом классе, каждый человек знакомится с новым понятием динамической физики, - трением. Однако многие, повзрослев, забывают, и каким образом действует эта сила. Давайте попробуем разобраться в этой теме.

Определение понятия

Трение - это явление, которое заключает в себе следующий смысл: когда два тела соприкасаются друг с другом, на месте их контакта образуется особое взаимодействие, препятствующее телам продолжать движение относительно друг друга. Ясно, что можно подсчитать значение взаимодействия этих тел. как раз таки и характеризует данное взаимодействие количественно. Если трение происходит между твердыми телами (например, взаимодействие книги с книжной полкой или яблока со столом), то такое взаимодействие называется сухим трением.

Следует понимать, что трение - это сила, имеющая электромагнитную природу. Это означает, что причиной возникновения данной силы является взаимодействие между частицами, из которых состоит то или иное тело.

Каким бывает трение?

Благодаря разнообразию существующих в нашем мире предметов можно определить, что каждый из них имеет свою структуру и обладает индивидуальными свойствами. Это означает, что и взаимодействие между различными предметами будет отличаться. Для правильного понимания сути и грамотного решения многих задач в физике принято условно разделять три вида трения. Итак, разберем каждый по отдельности:

• Первое трение - это трение покоя, которое возникает при отсутствии относительного перемещения двух тел. Мы можем наблюдать его примеры повсюду, ведь сила, возникающая при этом трении, удерживает предметы в равновесии. Например, товары на движущейся ленте транспортера, вбитый в стену гвоздь или человек, стоящий на полу.
• Трение скольжения - это условно второе трение. Значение скольжения определяется таким образом: когда к телу, находящемуся в равновесии, прикладывают силу, которая больше, чем сила трения покоя, начинает действовать сила трения скольжения, и тело сдвигается с места.
• И наконец, трение качения , объясняющее взаимодействие двух тел, одно из которых перекатывается по поверхности другого. Разница в и скольжения объясняется тем, что при любом движении площади тела смещаются по длине поверхности соприкосновения, и вместо разорванных межмолекулярных связей образуются новые. А в случае когда колесо катится без проскальзывания, молекулярные связи при подъеме участков колеса разрываются гораздо быстрее, чем при скольжении. Получается, что сила трения качения меньше силы скольжения.

Где и как можно использовать трение?

Трение - это незаменимое явление, без которого мы бы не смогли делать элементарные вещи: ходить, сидеть или же просто держать предметы в руках. Поэтому не стоит недооценивать значение трения. Как говорил французский физик Гильом: "Не будь трения, наша Земля была бы без единой шероховатости, она была бы подобна жидкой капле".

Пожалуй, лучший пример, который наиболее точно характеризует трение, - это работа колеса. Еще в древности было замечено, что силы трения качения гораздо меньше сил трения скольжения. Именно неоспоримая польза трения качения послужила причиной того, что люди стали подкладывать бревна или катки для перемещения тяжелых и габаритных грузов. С течением времени люди совершенствовали знания об удивительных свойствах трения качения, наблюдали за движением предметов под воздействием сил трения и, наконец, изобрели колесо! В современном мире невозможно представить жизни без этих незаменимых деталей, ведь колеса - это вторые "двигатели" любого транспорта!

Как вычислить значение силы трения?

Как и любая другая обладает целочисленными значениями. Для того чтобы точно определить, сколько силы потребуется для перемещения или других видов работ, необходимо подсчитать силу трения покоя. Этим обычно занимаются инженеры, когда, например, строят заводы или же изобретают новые устройства. Однако даже обычные школьники сталкиваются с определенными задачами, где требуется вычислить силу трения. Итак, чтобы подсчитать его значение, нужно просто воспользоваться несложной формулой: F трения = K * N, где k - это коэффициент трения. Значение всех коэффициентов зависит всегда от поверхности предмета, по которому движется или с которым взаимодействует тело. "N" в нашей формуле означает силу на тело. Она зависит в первую очередь от массы тела, которое соприкасается с поверхностью опоры.

Вычисляем значение силы в задаче

Допустим, тело массой m = 3 кг находится на горизонтальной доске. между деревянной доской и телом равен 0,3. Как же найти значение силы трения? Очень просто, всего-то нужно подставить наши значения в формулу. Только нужно учесть, что N в данном случае равен весу тела (по 3-му закону Ньютона). Итак, искомая сила равна (m * g) * k = (3 кг * 10 м/с 2) * 0,3 = 9 H.

При соприкосновении движущихся (или приходящих в движение) тел с другими телами, а также с частицами вещества окружающей среды возникают силы, препятствующие такому движению. Эти силы называют силами трения . Действие сил трения всегда сопровождается превращением механической энергии во внутреннюю и вызывает нагревание тел и окружающей их среды.

Существует внешнее и внутреннее трение (иначе называемое вязкостью ). Внешним называют такой вид трения, при котором в местах соприкосновения твердых тел возникают силы, затрудняющие взаимное перемещение тел и направленные по касательной к их поверхностям.

Внутренним трением (вязкостью) называется вид трения, состоящий в том, что при взаимном перемещении. слоев жидкости или газа между ними возникают касательные силы, препятствующие такому перемещению.

Внешнее трение подразделяют на трение покоя (статическое трение ) и кинематическое трение . Трение покоя возникает между неподвижными твердыми телами, когда какое-либо из них пытаются сдвинуть с места. Кинематическое трение существует между взаимно соприкасающимися движущимися твердыми телами. Кинематическое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения .

В жизни человека силы трения играют важную роль. В одних случаях он их использует, а в других борется с ними. Силы трения имеют электромагнитную природу.

Трение покоя

Наблюдения показывают, что сила трения покоя всегда направлена противоположно действующей на тело внешней силе, стремящейся привести это тело в движение. До определенного момента сила трения покоя увеличивается с возрастанием внешней силы, уравновешивая последнюю. Максимальное значение силы трения покоя пропорционально модулю силы F д давления, производимого телом на опору.

По третьему закону Ньютона сила F д давления тела на опору равна по модулю силе N реакции опоры. Поэтому максимальная сила трения покоя пропорциональна силе реакции опоры. Для модулей этих сил справедливо следующее соотношение:

F п =f п N, (2.19)

где f п - безразмерный коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения покоя . Значение этого коэффициента зависит от материала и состояния трущихся поверхностей.

Определить значение коэффициента трения покоя можно следующим образом. Пусть тело (плоский брусок) лежит на наклонной плоскости АВ (рис. 23). На него действуют три силы: сила тяжести F, сила трения покоя F п и сила реакции опоры N. Нормальная составляющая F п силы тяжести представляет собой силу давления F д, производимого телом на опору, т. е.

F Н =F д. (2.20)

Тангенциальная составляющая F т силы тяжести представляет собой силу, стремящуюся сдвинуть тело вниз по наклонной плоскости.

При малых углах наклона a сила F т уравновешивается силой трения покоя F п и тело на наклонной плоскости покоится (сила N реакции опоры по третьему закону Ньютона равна по модулю и противоположна по направлению силе F д, т. е. уравновешивает ее).

Будем увеличивать угол наклона a до тех пор, пока тело не начнет скользить вниз по наклонной плоскости. В этот момент

F т =F пmax (2.21)

Подставив в формулу (2.19) выражения (2.20) и (2.21), получим

f п =F т /F н (2.22)

Из рис. 23 видно, что

F т =Fsin a = mg sin a; F н =Fcos a = mg cos a.

f н =sin a/cos a=tg a. (2.23)

Измерив угол a, при котором начинается скольжение тела, можно по формуле (2.25) вычислить значение коэффициента трения покоя f п.

Виды кинематического трения

Трение скольжения возникает при скольжении одного твердого тела по поверхности другого. Закон для трения скольжения имеет вид

F c = f c N, (2.24)

где F c - модуль силы трения скольжения; f c - безразмерный коэффициент трения скольжения; N - модуль силы реакции опоры. Значение f c зависит от того, из каких веществ изготовлены трущиеся поверхности и от качества их обработки. Если сделать поверхности более гладкими, значение f c c вновь увеличивается. Происходит это потому, что молекулы тел с гладкими поверхностями близко подходят друг к другу и силы молекулярного притяжения между ними вызывают "прилипание" тел, препятствующее их скольжению. Трение качения возникает при качении (без скольжения) твердых тел круглой формы по поверхности других твердых тел. уменьшится. Однако уменьшать шероховатость поверхностей можно лишь до определенного предела, так как при очень гладких (например, полированных) поверхностях значение f

Причина появления трения качения заключается в следующем. Под действием силы тяжести круглое твердое тело (например, шар или колесо), находящееся на плоской поверхности, деформируется, вследствие чего оно опирается не на одну точку, а на площадку больших или меньших размеров. Это приводит к тому, что, когда тело начинает катиться, точка А приложения реакции опоры смещается немного вперед от вертикали, проходящей через центр тяжести тела, а линия действия силы реакции опоры R отклоняется немного назад от этой вертикали (рис. 24). При этом нормальная составляющая R н = N реакции опоры компенсирует силу тяжести F (т.е. R н =-F), а не скомпенсированная тангенциальная составляющая R т реакции опоры направлена против движения тела и играет роль силы трения качения F к. Модуль силы трения качения F к определяют по закону

F к = K к ·N/r (2.25)

где K к -безразмерный коэффициент трения качения; N=R н - модуль нормальной составляющей силы реакции опоры; r - радиус катящегося тела.

Если мы сравним между собой коэффициенты всех видов внешнего трения для каких-либо двух материалов, из которых изготовлены соприкасающиеся тела, то увидим, что f п >f c >K k , т. е. при прочих равных условиях наибольшим является трение покоя, а наименьшим - трение качения.

Роль смазки

С целью уменьшения внешнего трения между соприкасающимися поверхностями твердых тел вводят смазку, т. е. вязкую жидкость, которая прилипает к твердым телам и образует между их поверхностями слой большей или меньшей толщины. При этом трение возникает уже не между твердыми телами, а между слоями смазки, что и приводит к значительному уменьшению силы трения. Внешнее трение называют сухим , если смазка вообще отсутствует, гидродинамическим, если слой смазки толстый, граничным, если слой смазки очень тонкий.

Силы сопротивления движению тел в жидкостях и газах

Сила сопротивления движению возникает и при движении твердых тел в жидкостях и газах. В данном случае трение покоя вообще отсутствует, так как в жидкости или в газе сколь угодно малая сила может вывести тело из состояния покоя, сообщив ему ускорение.

Сила сопротивления, возникающая в жидкости или газе, всегда направлена против движения тела, по касательной к его поверхности и зависит от скорости движения тела. При небольших скоростях движения сила сопротивления F c пропорциональна скорости, а при больших скоростях - F c пропорциональна квадрату скорости.

В газах, из-за их малой плотности, тело может развить большую скорость, поэтому сила сопротивления F c =-k 1 v 2 . В жидкостях плотность вещества велика, тело не может развить большую скорость, а потому Fc=-k 2 v. В последних формулах коэффициенты пропорциональности k 1 и k 2 зависят от рода жидкости или газа и их температуры.

Наблюдения показывают, что сила сопротивления движению в жидкостях или газах в значительной степени зависит также от формы движущегося тела. Геометрическую форму тела, при которой сила сопротивления движению со стороны среды мала, принято называть обтекаемой .

В природе существует несколько видов трения. В случае касания твердого тела и себе подобным возникает сухое трение, которое делится на:

• Трение покоя;
• Трение скольжения;
• Трение качения.

В случае если твердое тело начинает контактировать с жидкостью или газом, возникает не сухое трение.

Сила трения покоя

Рассмотрим мяч, лежащий на поверхности. На него действуют силы:

• Сила тяжести F, где m– масса тела, а g – ускорение свободного падения, являющееся постоянной величиной.
• Сила реакции опоры N.

Попробуем подействовать на мяч силой, параллельной поверхности, на которой он находится. В результате наш мяч не сдвинулся с места, что говорит о том, что на него также действует еще одна сила. Она называется силой трения покоя, и противоположна по направлению силе, с которой мы действовали на мяч. Она равна по модулю прилагаемой силе.

Таким образом, можно записать следующую формулу:

Так же существует величина, характеризующая зависимость силы трения покоя и силы реакции опоры. Она называется коэффициент трения покоя и обозначается µ0

Максимальное значение силы трения покоя, которая действует на мяч, можно вычислить по формуле:

Сила трения скольжения

Приложим к рассматриваемому мячу еще раз силу. На этот раз наш мяч начинает движение вдоль поверхности, на которой он находится. И в этом случае со стороны поверхности на мяч действует сила, которая носит название – сила трения скольжения. Эта сила препятствует тому, чтобы мяч двигался и направлена в сторону, противоположную движению.

Сила трения скольжения также пропорциональна силе реакции опоры:

Fтр.скольж.=µ*N

Сила трения качения

Данный вид трения возникнет при перекатывании мяча к какому-либо другому телу, или при качении его по поверхности. Также как и трение скольжения, оно направлено в сторону, противоположную движению.

Не сухое трение

Данный вид трения возникает в том случае, если твердое тело двигается в жидкой или газообразной среде. Эта сила также направлена в сторону, противоположную движению и препятствует ему. Величина силы сопротивления зависит от скорости, с которой тело движется в среде.

В случае если тело движется с небольшой скоростью, силу сопротивления можно вычислить по следующей формуле:

Fсопротивл.=k*v

k – коэффициент сопротивления, v – значение относительной скорости.

Если же величина относительной скорости имеет достаточно большое значение, то силу сопротивления нужно вычислять по следующей формуле.

Виды трения, смазки и изнашивания деталей машин. Меры по снижению интенсивности изнашивания

Одной из наиболее распространенных причин постепенных отказов является износ (последствие изнашивания) деталей машин.

Изнашивание — процесс отделения материала с поверхности твердого тела и (или) увеличения его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

Изнашивание является сложным физико-химическим процессом, зависящим от многих факторов: материала и качества трущихся поверхностей, скорости их взаимного перемещения, нагрузки, вида трения, смазывания, смазочных материалов и т.д.

Различают следующие виды трения: покоя, движения, скольжения, качения, без смазочного материала и со смазочным материалом.

Смазочный материал — материал, вводимый на поверхности трения для уменьшения силы трения и (или) интенсивности изнашивания.

Трение без смазочного материала происходит между двумя телами при отсутствии на поверхностях трения введенного смазочного материала любого вида. Твердые тела при этом взаимодействуют непосредственно. Такое трение сопровождается пластическими деформациями и даже временным прочным сцеплением отдельных точек контактирующих поверхностей. ЧТО вызывает их интенсивное разрушение. Трение без смазочного материала наблюдается при работе звеньев гусениц в паре с направляющими и опорными катками гусеничных тракторов и т.д.

Трение со смазочным материалом происходит между двумя телами, поверхности трения которых покрыты введенным смазочным материалом любого вида.

Смазка — это действие смазочного материала, в результате которого между двумя поверхностями уменьшаются износ, повреждения поверхности и (или) сила трения.

Различают следующие виды смазки: в зависимости от физического состояния смазочного материала — газовую, жидкостную и твердую; в зависимости от разделения поверхностей трения смазочным материалом — гидродинамическую (газодинамическую), гидростатическую (газостатическую), эласто-гидродинамическую, граничную и полужидкостную (смешанную).

Газовая, жидкостная и твердая смазки — это такие смазки, при которых полное разделение поверхностей трения осуществляется соответственно газовым, жидким или твердым смазочным материалом.

Гидродинамическая (газодинамическая) смазка — это жидкостная (газовая) смазка, при которой полное разделение поверхностей трения осуществляется в результате давления, самовозникаюшего в слое жидкости (газа) при относительном движении поверхностей.

Гидростатическая (газостатическая) смазка — жидкостная (газовая) смазка, при которой полное разделение поверхностей трения деталей, находящихся в относительном движении или покое, осуществляется в результате поступления жидкости (газа) в зазор между поверхностями трения под внешним давлением.

Эласта-гидродинамическая смазка — смазка, при которой характеристики трения и толщина пленки жидкого смазочного материала между двумя поверхностями, находящимися в относительном движении, определяются упругими свойствами материалов тел, а также реологическими свойствами смазочного материала.

Граничная смазка — смазка, при которой трение и износ между поверхностями, находящимися в относительном движении, определяются свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемной вязкости. При этом виде смазки тонкий слой (до 0,1 мкм) смазочного материала состоит из поверхностно-активных (полярных) молекул, которые адсорбируются металлическими поверхностями деталей и создают на них разделяющий детали слой смазочного материала. Поэтому коэффициент трения и износ поверхностей трения при граничной смазке зависят от адсорбирующих способностей металлических поверхностей и способности смазочного материала удерживаться на них.

Полужидкостная смазка — смазка, при которой частично осуществляется жидкостная смазка, а полное разделение поверхностей трения смазочным материалом не осуществляется.

При гидродинамической смазке поверхности трения полностью разделены промежуточным слоем смазочного материала. Микровыступы этих поверхностей не входят в непосредственный контакт. Процессы трения и изнашивания характеризуются при этом не материалом трущихся поверхностей, а вязкостью смазочного материала, конструкцией и режимом работы соединения. При этом наблюдается наименьшая интенсивность изнашивания.

Однако гидродинамическая смазка возможна только при определенной толщине смазочного материала. При уменьшении толщины смазочного материала поверхности трения сближаются. Когда при сближении поверхностей от слоя смазочного материала останется только масляная пленка молекулярной толщины, возникает граничная смазка.

При граничной смазке действуют молекулярные силы поверхностей трения, а смазочный материал прочно адсорбируется на их поверхностях. Масляная пленка находится под воздействием молекулярных сил, оказывает сопротивление образованию контакта микровыступов трущихся поверхностей, предохраняет их от разрушения.

Механическое изнашивание представляет собой процесс деформации и разрушения поверхностных слоев, происходящий в результате механического взаимодействия микронеровностей взаимно перемещающихся плоскостей.

Сближение поверхностей с микронеровностями приводит как к контакту микронеровностей, так и к взаимному проникновению микровыступов одной из поверхностей во впадины другой. При относительном перемещении трущихся поверхностей происходит смятие, сдвиг или изгиб микронеровностей. Одни из них испытывают упругие деформации, другие — пластические. При этом контактное давление на отдельных микровыступах достигает больших значений. При таком давлении в контактных точках возникают температурные вспышки, при которых происходит сваривание микровыступов с почти мгновенным разрывом мостиков сварки. В результате описанных процессов происходит разрушение и деформация трущихся поверхностей.

Кроме механического воздействия при механическом изнашивании наблюдается молекулярное взаимодействие поверхностей трения.

Для уменьшения интенсивности механического изнашивания необходимо при механической обработке деталей обеспечивать оптимальную шероховатость поверхности. Например, для шатунных и коренных шеек коленчатого вала оптимальная шероховатость поверхности Ra 0.16...0,32 мкм, что обеспечивается шлифованием и полированием. Эффективным способом уменьшения интенсивности механического изнашивания является создание условий для жидкостного трения. Чем меньше частота вращения и чем больше удельная нагрузка на подшипник, тем больше должна быть вязкость масла для сохранения необходимой толщины масляного слоя. Перегрузка подшипника приводит к резкому уменьшению толщины масляного слоя. При пусках и остановках машин масло выжимается из зазора между поверхностями трения, поэтому в этот момент наблюдается интенсивное изнашивание. Пуски особенно опасны при низких температурах. Вот почему важно подогревать масло и воду перед пуском двигателя.

Разновидностями механического изнашивания являются: абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, гидроэрозионное, газоэрозионное, кавитационное, усталостное изнашивание, а также изнашивание при фреттинге и заедании.

Абразивное изнашивание материала детали происходит в результате режушего или царапающего действия на него твердых (абразивных) частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии. Абразивные частицы содержатся в почве, дорожной пыли, а также могут образовываться в процессе трения в подвижных соединениях в виде продуктов изнашивания, оксидов и других химических соединений. Для уменьшения интенсивности абразивного изнашивания необходимо повышать твердость трущихся поверхностей путем термической обработки, наплавки, хромирования и другими способами, а также предотвращать проникновение абразивных частиц к поверхностям трения с помощью уплотнений, воздухоочистителей и фильтров.

Гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание — это абразивное изнашивание в результате действия твердых абразивных частиц или тел, увлекаемых потоком жидкости (газа). Абразивные частицы попадают в поток жидкости (газа) в результате загрязнения топлива, масла, рабочих жидкостей при заправках, неудовлетворительной герметизации и фильтрации. Гидроабразивному (газоабразивному) изнашиванию подвергаются детали насосов, гидроприводов, гидроусилителей, цилиндропорш-невой группы двигателей.

Для снижения интенсивности гидроабразивного (газоабразивного) изнашивания необходимо также как и при абразивном изнашивании повышать твердость поверхностей деталей, не допускать зафязнения топлива, масла и рабочих жидкостей при заправках, вовремя заменять и следить за исправностью фильтров и воздухоочистителей, уплотиительных элементов машин.

Гидроэрозионное (газоэрозионное) изнашивание — это изнашивание поверхности в результате воздействия потока жидкости (газа).

Кавитационное изнашивание — это механическое изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости (или наоборот), при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности детали, что создаст высокое местное давление или высокую температуру. Пузырьки газа образуются при нарушении сплошности потока жидкости. Захлопываясь вблизи поверхности твердого тела, они создают мощный гидравлический удар жидкости по поверхности металла. Сосредоточение в одном месте на металлической поверхности большого количества таких ударов вызывает разрушение металла в виде каверн (полостей) диаметром 0,2... 1,2 мм. Такому виду изнашивания подвержены поверхности гильз цилиндров, посадочные пояски блоков цилиндров под гильзу, лопасти водяных насосов и другие детали, омываемые потоком жидкости.

Для увеличения долговечности деталей, подвергающихся кавитационному изнашиванию, необходимо исключать вибрации, повышать жесткость, коррозионную стойкость и твердость деталей. Интенсивность разрушения однородных по составу металлов снижается с увеличением твердости.

Усталостное изнашивание — это механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя. Усталостное изнашивание происходит в процессе трения, при котором под действием больших повторно-переменных нагрузок, превышающих предел текучести металла, возникают микропластические деформации сжатия. При многократных деформациях одних и тех же участков на поверхности детали появляются микро-и макроскопические трещины, которые в дальнейшем в результате отслаивания и выкрашивания частиц металла приводят к возникновению осповидных углублений и впадин.

Усталостное изнашивание при высоких контактных давлениях наблюдается на беговых дорожках подшипников качения, зубьях шестерен и других деталях.

Основным мероприятием, обеспечивающим снижение интенсивности усталостного изнашивания, является снижение контактных давлений между соприкасающимися поверхностями путем более равномерного их распределения по длине зуба и между телами качения. Этого можно достичь более точным монтажом и соблюдением оптимальных зазоров и натягов в подвижных и неподвижных соединениях.

Изнашивание при фреттинге — это механическое изнашивание соприкасающихся поверхностей при их колебательном относительном микроперемещении. Это изнашивание происходит при ослаблении затяжки резьбовых соединений. Эффективный способ уменьшения такого изнашивания — своевременная подтяжка резьбовых соединений.

Изнашивание при заедании — это изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания металла, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникающих неровностей на сопряженную поверхность. Такое изнашивание возникает при значительных удельных нагрузках и граничной смазке и сопровождается выделением значительного количества теплоты, высоким коэффициентом трения и наибольшей интенсивностью изнашивания. Для снижения вероятности возникновения изнашивания при заедании необходимо снижать шероховатость поверхностей, конусность и эллипеность деталей при механической обработке, улучшать условия смазки сопряженных поверхностей, соблюдать рекомендации по обкатке, не допускать перегрузок подвижных соединений в процессе эксплуатации.

Коррозионно-механическое изнашивание — это изнашивание в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрическим взаимодействием материала со средой. К коррозионно-механическому изнашиванию относятся окислительное и изнашивание при фреттинг-коррозии.

Окислительное изнашивание — это коррозионно-механическое изнашивание, при котором преобладает химическая реакция материала с кислородом воздуха или окисляющей окружающей средой.

При окислительном изнашивании одновременно протекает пластическое деформирование малых объемов металла поверхностных слоев и проникновение кислорода воздуха в деформированные слои. На первой стадии окислительного изнашивания разрушаются и удаляются мельчайшие твердые частицы из непрерывнообразующихся в результате проникновения кислорода оксидных пленок, на второй стадии происходит образование и выкрашивание пластически недеформирующихся хрупких оксидов.

Окислительное изнашивание наблюдается при сравнительно невысоких скоростях скольжения и удельных нагрузках при трении скольжения и качения, а также у таких деталей, как шейки коленчатых валов, цилиндры двигателей, поршневые пальцы.

Износостойкость деталей при окислительном изнашивании зависит от пластичности металла, скорости его окисления и свойств оксидов. Мягкие стали более подвержены окислительному изнашиванию по сравнению с твердыми. Поэтому эффективными способами снижения интенсивности окислительного изнашивания являются закалка, нанесение твердых сплавов, хромирование и другие способы.

Изнашивание при фреттинг-коррозии — этокоррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях. Фреттинг-коррозия является особым видом изнашивания номинально неподвижных деталей в результате возвратно-поступательных перемещений с очень малой амплитудой. Причиной таких перемещений могут быть вибрации, динамические нагрузки, периодический изгиб или скручивание сопряженных деталей.

Фреттинг-коррозия обусловлена развитием на поверхности контакта сопряженных металлических поверхностей различных по своей природе физико-химических процессов: пластического деформирования металла, усталостных процессов, сопровождающихся окислением и коррозией, схватывания, абразивного разрушения. Интенсивность изнашивания при фреттинг-коррозии зависит от амплитуды относительного смешения, контактного давления, частоты колебаний, количества циклов нагружения, относительной твердости поверхностей и окружающей среды. К способам защиты поверхностей контактирующих деталей от фреттинг-коррозии относятся закалка токами высокой частоты, химико-термическая обработка, нанесение на поверхности деталей различных пленок и покрытий, применение смазочных материалов. Для повышения долговечности неподвижных соединений подшипников качения необходимо снижать относительные перемещения сопряженных поверхностей путем обеспечения определенной величины натяга, предотвращать контактирование металлических поверхностей нанесением покрытий из полимерных материалов.

Виды трения и смазки