Источник всех потерь КПД из главы 03 — и одновременно единственная причина, по которой вообще можно ходить по земле, затянуть гайку или остановить машину тормозами. Трение не враг механики — враг только там, где оно не нужно.
| Тип | Особенность |
|---|---|
| Трение покоя (статическое) | Сопротивляется началу движения неподвижного тела; обычно выше, чем трение скольжения того же тела в движении — отсюда характерный "рывок" в момент трогания с места, когда сила преодолевает именно трение покоя |
| Трение скольжения (кинетическое) | Сопротивляется относительному скольжению уже движущихся поверхностей — ниже, чем трение покоя тех же материалов |
| Трение качения | Возникает при качении тела (шарик, ролик, колесо) — на порядки ниже трения скольжения, потому что физическая природа другая: не проскальзывание поверхностей друг относительно друга, а небольшая локальная деформация контакта |
Разница между трением скольжения и качения — прямое объяснение таблицы КПД из главы 03: подшипник качения (98–99%) эффективнее подшипника скольжения (90–95%) именно потому, что работает на принципиально более слабом виде трения.
F_трения = μ × N, где N — сила нормального давления (прижимающая сила, перпендикулярная поверхности контакта), μ (мю) — коэффициент трения, зависящий от пары материалов и состояния поверхностей. Контринтуитивный, но экспериментально подтверждённый факт для сухого трения (в первом приближении): сила трения не зависит от площади контакта — широкая и узкая поверхность одного и того же веса дают примерно одинаковую силу трения, если материалы и прижимающая сила те же.
| Пара материалов | μ (приблизительно) |
|---|---|
| Сталь по стали (сухая) | 0.5–0.8 |
| Сталь по стали (смазанная) | 0.05–0.15 |
| Резина по асфальту | 0.6–0.9 |
| Дерево по дереву | 0.2–0.5 |
| Фторопласт (тефлон) по стали | 0.04–0.1 |
| Лёд по льду | 0.02–0.1 |
Смазка меняет коэффициент трения между теми же материалами в разы — прямое практическое подтверждение того, почему обслуживание подвижных механизмов почти всегда сводится к контролю смазки.
Мощность, рассеиваемая трением скольжения, считается как P = F_трения × v, где v — скорость относительного скольжения поверхностей — прямое применение формулы мощности из главы 01. Эта мощность целиком превращается в тепло — то самое тепло, из-за которого подшипник или редуктор нагревается под нагрузкой. Именно поэтому чрезмерный нагрев подвижного узла — почти всегда признак избыточного трения: либо недостаточной смазки, либо износа, либо неправильной посадки деталей друг относительно друга.
Помимо потери энергии в тепло, трение постепенно разрушает поверхности — микроскопические частицы материала отделяются от трущихся поверхностей при каждом цикле движения, вызывая износ, который со временем меняет посадку деталей и может привести к отказу узла задолго до "естественного" срока службы материала.
Смазочный материал (масло, консистентная смазка) вводится между трущимися поверхностями, чтобы заменить контакт "металл по металлу" на контакт через тонкий слой жидкости или полутвёрдого вещества с гораздо более низким внутренним трением. При достаточном количестве смазки и подходящей скорости движения поверхности вообще перестают напрямую касаться друг друга, "плавая" на тонкой плёнке смазки (гидродинамический режим смазки) — трение падает до минимума. При недостатке смазки или на низких скоростях контакт частично прямой (граничная смазка) — трение выше, но всё ещё заметно ниже, чем совсем без смазки.
| Признак | Вероятная причина |
|---|---|
| Узел заметно нагревается под нагрузкой | Недостаток смазки, износ, неправильная посадка/перекос деталей |
| Скрип, скрежет, посторонний шум | Сухое трение там, где должна быть смазка, либо повреждение поверхности контакта |
| Требуется заметно больше усилия, чем раньше | Рост трения из-за высыхания/загрязнения смазки или начинающегося износа |
| Металлическая пыль или стружка у узла | Активный износ трущихся поверхностей — смазка сама по себе уже не решит проблему, вероятно нужна замена изношенной детали |
Последняя глава фундамента — материалы, из которых сделаны сами механизмы: сталь, алюминий, пластик — и почему выбор материала для конкретной детали влияет и на трение, и на прочность, и на вес всей конструкции сразу.
Книга бесплатна для чтения. Автор — Тариел Бежанидзе, компьютерный мастер в Батуми · tariel.ge · все бесплатные книги. Копировать текст целиком на другие сайты — только со ссылкой на источник.