§ 34. Трение в природе и технике

комплекс адаптивных контактных механических взаимодействий, обеспечивающих удержание, перемещение и хватательные функции биологических объектов в окружающей среде.

• 1. Хватательные органы — усики вьющихся растений (винограда, гороха), хобот слона, цепкие хвосты древесных ящериц и обезьян обладают шероховатой поверхностью и особыми микрорельефными складками, создающими высокую силу сцепления (трения покоя) с ветвями и предметами.
• 2. Органы передвижения — щетинки кольчатых червей, микроворсинки на лапках гусениц и насекомых, шероховатые подушечки лап хищных млекопитающих препятствуют скольжению и позволяют надежно отталкиваться от грунта, стволов деревьев и листьев.

проявление сил трения (покоя и скольжения), без которых невозможно осуществление контролируемого прямолинейного движения, торможения и фиксации объектов.

• 1. Сцепление движителей с опорой — ведущие колеса автомобиля, поезда или подошвы пешехода отталкиваются от поверхности благодаря трению покоя; при его отсутствии колеса пробуксовывают на месте, а человек не способен сделать шаг.
• 2. Тормозные системы — тормозные колодки прижимаются к вращающимся стальным дискам колес, превращая кинетическую энергию движения машины во внутреннюю тепловую энергию за счет колоссальной силы трения скольжения.
• 3. Способы увеличения полезного трения — нанесение глубокого рельефного протектора на автомобильные шины, установка твердосплавных шипов на зимнюю резину, посыпание обледеневших пешеходных дорог и рельсов песком или гранитной крошкой.

сопротивление относительному движению сопряженных деталей узлов и агрегатов, вызывающее механические повреждения и энергетические потери.

• 1. Преждевременный износ — постоянное сухое трение шестерен, валов, осей и поршней приводит к истиранию металла, появлению люфтов, задиров и разрушению деталей.
• 2. Паразитный нагрев и КПД — значительная часть механической энергии двигателя расходуется не на полезную работу, а на преодоление сил трения, вызывая нагрев узлов и колоссальный перерасход горючего или электроэнергии.

высокоэффективный метод резкого уменьшения сил трения между твердыми контактными поверхностями.

• 1. Физический механизм действия — слой жидкого минерального или синтетического масла разъединяет контактирующие металлические поверхности и заполняет их микротрещины; сухое внешнее трение твердых тел заменяется гидродинамическим (вязким) трением слоев жидкости, в котором сопротивление сдвигу в десятки раз меньше.
• 2. Теория смазки Н. П. Петрова — основы гидродинамической теории трения при смазке были заложены в конце XIX века (1883 г.) выдающимся русским ученым-механиком и инженером Николаем Павловичем Петровым (1836–1920), что легло в основу научного расчета масляных систем всех современных двигателей внутреннего сгорания.

прецизионный опорный узел машин и механизмов, поддерживающий вращающийся вал или ось, фиксирующий их пространственное положение и обеспечивающий вращение с минимальным сопротивлением.

• 1. Материалы изготовления — во избежание пластической деформации под действием колоссальных динамических нагрузок подшипники изготавливают из высокопрочных легированных сталей, чугуна, антифрикционной бронзы и передовых композитных материалов.
• 2. Классификация по характеру трения — в зависимости от конструкции и вида взаимодействия рабочих поверхностей подразделяются на подшипники скольжения и подшипники качения.

опорный узел, в котором цапфа (опорная шейка) вращающегося вала скользит непосредственно по гладкой внутренней поверхности опорного вкладыша.

• 1. Конструкция — состоит из жесткого массивного корпуса и запрессованного разъемного или цельного вкладыша, изготовленного из специального антифрикционного материала (бронзы, баббита, латуни, чугуна).
• 2. Защита от износа — скользящие контактные поверхности разделены непрерывной принудительной подачей смазочного масла под давлением, предотвращающего износ основного вала машины.

высокотехнологичный опорный узел вращения, в котором трение скольжения заменено значительно меньшим по величине трением качения за счет размещения промежуточных твердых тел вращения между кольцами.

• 1. Конструктивные элементы — состоит из внутреннего кольца (обоймы), насаженного на вал; наружного кольца, зафиксированного в неподвижном корпусе агрегата; тел качения (стальных шариков или цилиндрических/конических роликов) и сепаратора.
• 2. Сепаратор — штампованное или литое кольцо с калиброванными посадочными гнездами (окошками), удерживающее тела качения на строго одинаковом расстоянии друг от друга и предотвращающее их взаимное трение и заклинивание при быстром вращении.

Выдающийся русский учёный-механик и инженер, основоположник гидродинамической теории смазки в машинах и механизмах.

• В конце XIX века научно обосновал и разработал основы гидродинамической теории трения при смазке в машинах и механизмах.
• Доказал, что трение в подшипниках со смазкой определяется не материалом трущихся поверхностей, а внутренним трением (вязкостью) смазочного слоя.
• Его исследования заложили фундамент для создания надёжных систем смазки цилиндров и подшипников скольжения, снизив износ и перегрев деталей.

В зависимости от характера контакта и условий взаимного перемещения тел в механике выделяют:

• Трение покоя — возникает между соприкасающимися телами при наличии внешней силы, стремящейся вызвать смещение, и удерживает тела в состоянии относительного покоя.

Примеры: человек упирается подошвой обуви в тротуар при ходьбе; чемоданы поднимаются на наклонном конвейере аэропорта без соскальзывания; вбитый гвоздь удерживает картину в стене.

• Трение скольжения — возникает при относительном перемещении одного твердого тела по поверхности другого, при котором соприкасающиеся слои скользят друг по другу.

Примеры: скольжение полозьев саней или лыж по снегу; прижатие тормозных колодок к ободу колеса; перемещение поршня в цилиндре двигателя; скольжение конька по льду.

• Трение качения — возникает в случае, когда твердое тело круглой формы (цилиндр, шар, колесо) катится по опорной поверхности без проскальзывания.

Примеры: движение колес железнодорожного вагона по рельсам; качение стальных шариков во внутреннем желобе подшипника; перекатывание тяжелых бревен или труб на катках.

Сила трения жизненно необходима во множестве природных явлений, бытовых процессов и инженерных узлов:

• Передвижение человека, животных и транспорта: при ходьбе, беге и вращении автомобильных колес именно сила трения покоя со стороны дорожного покрытия сообщает телу силу тяги и ускорение вперед.
• Торможение транспортных средств: в тормозных дисках автомобилей, самолетов и поездов трение скольжения колодок о диски позволяет быстро и безопасно погасить кинетическую энергию движения.
• Удержание предметов руками: благодаря микрорельефу и трению на подушечках пальцев мы удерживаем стакан с водой, ручку, смартфон, инструменты.
• Резьбовые и крепежные соединения: затянутые гайки, винты, болты, вбитые гвозди и клинья не развинчиваются и держат конструкции монолитно за счет трения покоя между витками резьбы или волокнами материала.
• Текстильное производство и узлы: нити в тканях и волокна в пряже переплетены и удерживаются исключительно силами трения покоя, благодаря чему одежда сохраняет целостность, а завязанные узлы и шнурки не распускаются.
• Ременные передачи станков: приводные ремни передают крутящий момент со шкива электродвигателя на рабочий вал за счет силы трения между ремнем и ободом шкива.

Во многих узлах машин и практических ситуациях трение вызывает разрушительные и нежелательные последствия:

• Механический износ трущихся узлов: в двигателях внутреннего сгорания, коробках передач, турбинах и станках сухое трение осей, шестерен, втулок и подшипников приводит к истиранию поверхностей, образованию зазоров и выходу техники из строя.
• Потери энергии и снижение КПД: колоссальное количество энергии сгорающего топлива или электричества безвозвратно превращается в паразитное тепло на преодоление сопротивления трения в ходовой части и приводах машин.
• Сильный нагрев деталей: при быстром относительном скольжении без отвода тепла детали расширяются, что может привести к температурному заклиниванию поршней в блоке цилиндров или заклиниванию осей в буксах вагонов.
• Транспортировка тяжелых грузов волоком: перемещение массивных предметов (например, шкафа по полу или каменных блоков по земле) требует приложения гигантских мышечных или тяговых усилий из-за противодействующей силы трения скольжения.

В практической жизни регулярно приходится искусственно изменять коэффициент трения и прижимающую силу:

• Случаи намеренного увеличения силы трения:
• В гололедицу: посыпали обледеневший тротуар сухим речным песком или гранитной крошкой, делая поверхность шероховатой, либо надевали обувь с глубоким рельефным протектором подошвы из нескользящей резины.
• В спорте (гимнастика, скалолазание, тяжелая атлетика): натирали ладони сухим порошком магнезии, чтобы удалить скользкую влагу (пот) и увеличить сцепление рук со спортивным снарядом (перекладиной, грифом штанги).
• При откручивании скользкой тугой крышки: оборачивали крышку сухой шершавой тканью или резиновой накладкой, чтобы пальцы не проскальзывали.
• Случаи намеренного уменьшения силы трения:
• Смазывание замков и петель: закапывали машинное масло в скрипящие дверные петли или заклинивающий навесной замок, заменяя сухое металлическое трение на легкое гидродинамическое скольжение слоев смазки.
• Катание на лыжах: наносили специальную парафиновую мазь скольжения на скользящую поверхность лыж, чтобы сгладить микронеровности пластика и снизить сопротивление снегового покрова.
• Перемещение тяжелой мебели: подкладывали под ножки тяжелого шкафа гладкие пластиковые крышки, промасленный картон или кусочки войлока для уменьшения коэффициента трения о ламинат или линолеум.
• Перекатывание грузов: вместо волочения тяжелого ящика подкладывали под него круглые деревянные катки или использовали грузовую тележку на колесах, заменяя трение скольжения трением качения.

Подшипники устанавливают в машинах и агрегатах для решения ключевых инженерных задач:

• Кардинальное снижение сопротивления вращению: подшипники уменьшают силу трения в опорах вращающихся осей и валов в десятки и сотни раз, заменяя прямое сухое трение скольжения трением в присутствии жидкостной смазки либо легким трением качения шариков и роликов.
• Предотвращение механического износа основных дорогостоящих деталей: быстроизнашивающиеся поверхности сосредоточены в легко заменяемых сменных вкладышах или съемных кольцах подшипника, сохраняя целостность самих валов и массивных корпусов станков.
• Экономия энергии и топлива: минимизация сил сопротивления вращению снижает паразитный нагрев узлов и резко повышает коэффициент полезного действия (КПД) механизма.
• Точная фиксация геометрического положения: подшипники жестко центрируют валы механизмов, обеспечивая строгую соосность, плавность хода и отсутствие радиальных и осевых биений на высоких скоростях вращения (до десятков тысяч оборотов в минуту).

Оба типа опор вращения обладают принципиально различной конструкцией:

• Подшипник скольжения:
• Корпус (опора) — массивная стальная или чугунная обойма, жестко прикрепленная к станине механизма.
• Вкладыш — сменная цилиндрическая гильза (часто разъемная из двух полуколец), внутренняя поверхность которой отшлифована и покрыта антифрикционным материалом с низким коэффициентом трения (бронза, чугун, сплав баббита, тефлон).
• Цапфа вала — цилиндрическая полированная опорная часть вала, вставленная во вкладыш.
• Смазочный слой — масляные канавки и отверстия, через которые под давлением непрерывно подается жидкая смазка, образующая устойчивый гидродинамический масляный клин между валом и вкладышем. При работе вращающийся вал буквально «всплывает» на пленке масла, не касаясь металла вкладыша.
• Подшипник качения:
• Внутреннее кольцо (обойма) — напрессовывается на вращающийся вал механизма и вращается вместе с ним; на внешней поверхности кольца проточен кольцевой желоб (дорожка качения).
• Наружное кольцо (обойма) — неподвижно закрепляется в гнезде корпуса или станины машины; на внутренней поверхности также имеет дорожку качения.
• Тела качения — высокоточные закаленные полированные стальные элементы, перекатывающиеся по дорожкам качения между обоймами. По форме делятся на шарики (шарикоподшипники) или ролики — цилиндрические, конические, игольчатые (роликоподшипники).
• Сепаратор — штампованное профильное кольцо (стальное, латунное или полиамидное) со сквозными гнездами (окошками). Сепаратор удерживает шарики или ролики на равных угловых расстояниях друг от друга, исключая их взаимное соударение, скольжение и перекос во время движения.