Коефициент на триене при плъзгане и валцуване

При сухоземни условия всички движещи се тела (или влизащи в движение) влизат в контакт със същността на околната среда или с други тела. В този случай има сили, които се противопоставят на своето движение. Тези сили се наричат силите на триене, те превеждат част механична енергия движението във вътрешната енергия, придружено от отоплението на телата и околната среда.

Триенето е външно и вътрешно. Вътрешният (наричан още вискозитет) се състои в появата на тангенциална сила между движещите се слоеве на течност или газ, който пречи на това преместване.

За разлика от това външното триене настъпва в точките на контакт на твърдите вещества под формата на сила, допирателна към тяхната повърхност и възпрепятства тяхното взаимно изместване. Той от своя страна е разделен на статични (триене на почивка) и кинематичен. Статичното триене се проявява, когато се опитваме да преместваме едно фиксирано тяло спрямо другото. Кинематично съществува между движещите се тела, които са в контакт помежду си. Външното триене може да бъде разделено на плъзгане и търкаляне.

Какъв е физическият смисъл на триенето? Това е полезно или вредно? На пръв поглед триенето ни пречи само: подробностите за механизмите, износването на гумите от автомобилите, изтриването на подметките на обувките и т.н. perpetuum mobile е невъзможно само поради тази причина. Но погледни внимателно. Изчезнало триене - не можем да ходим или да обърнем книгата, нито да преместваме колата, нито да спираме да се движим. Огромен брой физически явления в света се основава на триенето. Двете основни постижения на човечеството, които определят развитието на цивилизацията - добиването на огън и изобретяването на колело - биха били невъзможни без него.

Това явление се основава на неравномерността на всички тела: когато човек се докосне, вдлъбнатините на един винаги се придържат към грапавостта на другия. За идеално гладки (например внимателно смлени) повърхности, близки един до друг, действат законите на молекулното триене, основани на взаимното привличане на молекулите.

Науката за трибология изследва триенето. През 1781 г. френският физик С. Клумб формулира основните закони за сухото триене. Експериментално, учените установиха, че триещата сила F, която се получава при плъзгане, е директно пропорционална на силата N, действаща върху тялото на нормалното налягане. Тази връзка е следната:

N: F = k ∙ N;

където k е коефициентът на триене (коефициент на пропорционалност). Стойността му бе изчислена както следва: тялото беше поставено на наклонена равнина и чрез промяна на ъгъла на наклона беше достигнато еднообразно движение. Фрикционната сила F е равна на движеща сила P:

F = P ∙ sin a;

Магнитудът на силата N (силата на нормалното налягане) е P ∙ cos a - оттук k = tan a. Коефициентът на триене следователно е допирателната на ъгъла на наклона на повърхността, по който тялото се плъзга равномерно, т.е. с постоянна скорост.

На практика стойността му може да бъде изчислена само приблизително. Повърхностите на тела като правило са повече или по-малко замърсени, имат оксиди, ръжда и други включвания. Коефициентът на триене, определен по двойки за комбинации от различни материали чрез експерименти, е включен в специални референтни таблици.

При търкаляне се създава триене, тъй като движещото колело леко се притиска към повърхността на пътя, т.е. принудено да преодолее малка бум. Колкото по-трудно е пътят, толкова по-малък е този удар и колкото е по-малка силата на триене. Стойността му се изчислява в този случай по формулата: F = k ∙ N / r, в която r е радиусът на колелото. Следователно, коефициентът на триене при търкаляне е с размер на дължината. Обикновено то се изразява в сантиметри в противовес на плъзгащия се коефициент на триене, което е безразмерно количество.

Както бе споменато по-горе, коефициентът на вътрешно триене съществува не само за твърди вещества, но и за течности. При хидравликата често е необходимо да се изчислява загубата на специфична енергия на хидравличните системи, която се случва в тръбопроводите. Те са два вида: загубите на дължина, които се срещат в прави тръби с еднороден поток, и локални загуби, причината за която е деформацията на потока поради промени във формата на канала (свиване, разширение, завои). Хидравличните загуби се изчисляват, като се използва подобна стойност, която се нарича "коефициент на хидравлично триене".