Андрей Смирнов
Время чтения: ~17 мин.
Просмотров: 0

Сила трения скольжения

Закон Амонтона — Кулона

Основной характеристикой трения является коэффициент трения μ{\displaystyle \mu }, определяющийся материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел.

В простейших случаях сила трения F{\displaystyle F} и нормальная нагрузка (или сила нормальной реакции) Nnormal{\displaystyle N_{normal}} связаны неравенством

|F|⩽μNnormal,{\displaystyle |F|\leqslant \mu {N_{normal}},}
Пары материаловμ{\displaystyle \mu } покояμ{\displaystyle \mu } скольжения
Сталь-Сталь0.5-0.80,15-0,18
Резина-Сухой асфальт0,95-1,00,50-0,8
Резина-Влажный асфальт0,25-0,75
Лёд-Лёд0,05-0,10,028
Резина-Лёд0,30,15-0,25
Стекло-Стекло0,90,7
Нейлон-Нейлон0,15-0,25
Полистирол-Полистирол0,5
Плексиглас, оргстекло0,8

Закон Амонтона — Кулона с учетом адгезии

Для большинства пар материалов значение коэффициента трения μ{\displaystyle \mu } не превышает 1 и находится в диапазоне 0,1 — 0,5. Если коэффициент трения превышает 1 (μ>1){\displaystyle (\mu >1)}, это означает, что между контактирующими телами имеется сила адгезии Nadhesion{\displaystyle N_{adhesion}} и формула расчета коэффициента трения меняется на

μ=(Ffriction+Fadhesion)Nnormal{\displaystyle \mu =(F_{friction}+F_{adhesion})/{N_{normal}}}.

5.14. ОДНОФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Статор однофазного двигателя
имеет однофазную обмотку
, которая занимает 2/3 общего числа пазов статора. Ротор
— коротко-замкнутый.

При подключении к сети
однофазная статорная обмотка создает не вращающийся, а пульсирующий магнитный
поток с амплитудой Ф. Этот поток может быть искусственно разложен на два вращающихся
потока ФI и ФII, каждый из которых равен Ф/2. Обозначим
ФI прямым потоком, а ФII — обратным. Частота вращения
каждого потока — n1I=n1II=n1.

Предположим, что ротор
двигателя уже вращается в направлении прямого потока. Тогда скольжение двигателя
относительно прямого потока ФI равно:


,

а относительно обратного потока:


.

Потоки ФI и
ФII наводят в обмотке ротора ЭДС E2I и E2II,
которые создают токи I2I и I2II. Известно, что частота
тока в обмотке ротора пропорциональна скольжению f2=Sf1.
Т.к. SII>SI, то ток, наведенный обратным полем, имеет
частоту намного больше частоты, наведенной в обмотке ротора прямым полем f2II>f2I.

Пусть n1=1500 об/мин, n2=1450 об/мин, f1=50 Гц, тогда:

SI =(1500-1450)/1500=0,03     f2I=50×0,03=1,5 Гц

SII=(1500+1450)/1500=1,96     f2II=50×1,96=98 Гц

Нам также известно, что
индуктивное сопротивление роторной обмотки x2 зависит от частоты
f2:

Поскольку f2I<<f2II,
то и сопротивление x2I<<x2II

Переходя к токам I2,
которые, как известно, обратно пропорциональны сопротивлениям x2,
можно записать: I2I>>I2II.

Вращающие моменты двигателя
пропорциональны магнитным потокам статора и токам в обмотке ротора. (М~ФI2).

Исходя из значений токов
I2I и I2II и учитывая, что ФIII
можно записать:

MI>>MII.

Следовательно, если ротор
двигателя уже вращается в сторону прямого потока, то он будет продолжать вращаться
в этом направлении. Тормозящее воздействие МII не будет оказывать
заметного влияния на работу двигателя.

Вспомним, что мы условно
предполагали вращение ротора в сторону прямого потока ФI. А если
бы он вращался вначале в сторону обратного потока ФII?

Тогда, проведя аналогичные
рассуждения, можно заключить, что ротор будет устойчиво вращаться в сторону
обратного потока. Рассмотрим механическую характеристику однофазного двигателя
(рис. 5.14.2).

Из характеристики М=f(S)
видно, что при пуске, когда S=1, пусковой момент Мп=О. Двигатель
при включении его в сеть сам не начнет вращаться. Необходим его сдвиг в ту или
иную сторону.

Если сдвинуть точку Мп
влево от S=1, то момент будет положительным, если вправо — отрицательным.

Другими словами, направление
устойчивого вращения ротора двигателя будет зависеть от направления первоначального
импульса.

Проведенный анализ показал, что однофазный двигатель нуждается в принудительном пуске.

Пусковые устройства могут быть механическими (пуск от руки) и электрическими.

Первый способ пуска практически выжил себя, и на его смену пришел второй — электрический.

Для создания необходимого пускового момента однофазный двигатель снабжается дополнительной пусковой обмоткой.
Эта обмотка размещается в оставшейся незаполненной 1/3 пазов.

Однофазный двигатель, таким
образом, превратился в двухфазный. Двухфазный двигатель обладает вращающимся
магнитным полем, если выполнены два обязательных условия.

Первое условие состоит
в пространственном сдвиге рабочей и пусковой обмоток на 90 эл. градусов. Такое
условие, легко реализуется на заводе-изготовителе.

Второе обязательное условие
диктуется сдвигом по фазе тока в пусковой обмотке на 90° относительно тока в
рабочей обмотке. Выполнение этого условия связано с включением в пусковую обмотку
фазосдвигающего элемента, например, конденсатора (рис. 5.14.3).

После того как ротор двигателя
придет во вращение, пусковую обмотку ПО отключают. Делается это с
помощью выключателя В. Иногда в бытовой технике отключение пусковой обмотки
производится автоматически по ходу разгона двигателя.

Возникновение — сила — трение

Схема деформирования поверхностных слоев металла при качении.

Возникновение силы трения обусловлено скольжением сопряженных поверхностей, а также гистерезисными потерями в твердом теле.

Возникновение сил трения и упругих сил обусловлено электрическими силами, действующими между заряженными частицами, из которых построены все макроскопические тела. При описании проявлений этих сил в механике мы ограничимся так называемым феноменологическим подходом: не вникая в природу этих сил, выясним условия, при которых они проявляются, и, опираясь на опыт, установим их количественные закономерности.

Возникновение силы трения обусловлено главным образом первой причиной, когда поверхности тел шероховаты. Но если поверхности тел хорошо отполированы, то при соприкосновении часть их молекул располагается так близко друг от друга, что заметно начинает проявляться притяжение между молекулами соприкасающихся тел.

Возникновение сил трения между движущимися телами есть фактически процесс диссипации энергии, который приводит к разогреву поверхностей. Приближенное выражение для прироста температуры при стационарных условиях скольжения может быть получено на основании простого анализа размерностей.

Возникновение сил трения между двумя твердыми телами при соприкосновении их поверхностей очень грубо, схематически можно представить себе так. Поверхность тела не является идеально гладкой. На ней имеются неровности в виде выступов и впадин различных размеров и формы, распределенных по поверхности произвольно. При соприкосновении поверхностей тел происходит проникновение выступов одной поверхности во впадины другой поверхности, сопровождающееся де — Рис 2 g формацией неровностей и взаимодействием между молекулами поверхностей. Величина деформации зависит от силы, прижимающей поверхности. Попытка вызвать взаимное перемещение трущихся тел встречает сопротивление — на каждое из этих тел действует сила трения, направленная противоположно внешней силе.

Возникновение силы трения скольжения объясняется прежде всего тем, что поверхности трущихся тел не являются абсолютно гладкими: как бы хорошо ни была отшлифована поверхность тела, на ней всегда имеются выступы и углубления, которые вследствие их малости не могут быть, конечно, обнаружены простым глазом. Профило-грамма дает наглядное представление о степени шероховатости данной поверхности. Для того чтобы заставить одно тело скользить по другому, необходимо преодолеть возникающее при этом сопротивление микроскопических выступов ( неровностей), имеющихся на соприкасающихся поверхностях этих тел. Кроме того, при этом приходится преодолевать еще силы молекулярного взаимодействия между частицами поверхностных слоев соприкасающихся тел.

Возникновение силы трения скольжения обусловлено многими факторами, среди которых существенную роль играют степень шероховатости поверхностей трущихся тел, силы сцепления, между частицами поверхностных слоев трущихся тел, и трущихся тел. Если соприкасающиеся тела достаточно тверды и хорошо отполированы, то сила трения скольжения резко уменьшается

Но в инженерных расчетах силу трения скольжения всегда приходится принимать во внимание.

Благодаря возникновению силы трения покоя не всякая внешняя сила способна вызвать скольжение. Скольжение возникает только в том случае, если внешняя сила становится равной или превосходит по модулю максимальную силу трения покоя. Таким образом, для внешней силы, вызывающей скольжение одного тела по поверхности другого, существует пороговое значение, равное максимальной силе трения покоя. Сила, меньшая по модулю пороговой силы трения, не вызывает скольжения. Эта особенность присуща только сухому трению. В случае жидкого трения, как увидим ниже, никакого порога для внешней силы не существует.

Вязкостью называют возникновение силы трения между параллельно движущимися слоями, если скорости слоев различны.

Одной из причин возникновения силы трения является шероховатость поверхностей соприкасающихся тел. Даже гладкие на вид поверхности тел имеют неровности, бугорки и царапины. На рисунке 75, а эти неровности изображены в увеличенном виде. Когда одно тело скользит или катится по поверхности другого, эти неровности зацепляются друг за друга, что создает некоторую силу, задерживающую движение.

Причины механокрекннга объясняли возникновением сил трения между потоком молекул растворителя и макромолекулами; которые, суммируясь по длине цепи , вызывают напряжения, превышающие прочность валентных связей. Произведенные расчеты показали, что действительно при наличии больших градиентов скорости потоков, обтекающих макромолекулу, при озвучив аник в растворе могут возникать силы порядка 5 — — 6 — 10 — 9 Н / ювязь, достаточные для разрыва макроцепей.

Трение называют внешним при возникновении силы трения между трущимися поверхностями двух различных тел и внутренним, если силы трения возникают между движущимися слоями жидкости или газа. Внешнее трение обычно подразделяют на трение скольжения и трение качения.

Свойство воды обусловливать при движении возникновение силы трения, зависящее от температуры и концентрации раствора.

Из изложенного ясно, что возникновение сил трения качения связано с деформацией.

Режим холостого хода

Холостой ход асинхронного двигателя подразумевает отсутствие на валу нагрузки в виде рабочего органа или редуктора. В режиме холостого хода скольжение составляет

s=(n1−n2)n1={\displaystyle s=(n_{1}-n_{2})/n_{1}=0}.

В режиме холостого хода ротор вращается с частотой лишь немного меньшей синхронной частоты вращения n1{\displaystyle n_{1}} и скольжение весьма мало отличается от нуля.

Следует заметить, что так же существует режим идеального холостого хода, при котором n=n1{\displaystyle n=n_{1}}, что практически реализовать невозможно, даже если учесть отсутствие силы трения в подшипниках. Сам принцип работы асинхронного двигателя подразумевает отставание ротора от вращающегося магнитного поля статора. При s={\displaystyle s=0} поле статора не пересекает обмотки ротора и не может индуцировать в нём ток, а значит не создаётся магнитное поле ротора

1.13. Сила трения

Трение – один из видов взаимодействия тел. Оно возникает при соприкосновении двух тел. Трение, как и все другие виды взаимодействия, подчиняется третьему закону Ньютона: если на одно из тел действует сила трения, то такая же по модулю, но направленная в противоположную сторону сила действует и на второе тело. Силы трения, как и упругие силы, имеют электромагнитную природу. Они возникают вследствие взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел.

Силами сухого трения называют силы, возникающие при соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки. Они всегда направлены по касательной к соприкасающимся поверхностям.

Сухое трение, возникающее при относительном покое тел, называют трением покоя. Сила трения покоя всегда равна по величине внешней силе и направлена в противоположную сторону (рис. 1.13.1).

Рисунок 1.13.1.Сила трения покоя (υ = 0).

Сила трения покоя не может превышать некоторого максимального значения (Fтр)max. Если внешняя сила больше (Fтр)max, возникает относительное проскальзывание. Силу трения в этом случае называют силой трения скольжения. Она всегда направлена в сторону, противоположную направлению движения и, вообще говоря, зависит от относительной скорости тел. Однако, во многих случаях приближенно силу трения скольжения можно считать независящей от величины относительной скорости тел и равной максимальной силе трения покоя. Эта модель силы сухого трения применяется при решении многих простых физических задач (рис. 1.13.2).

Рисунок 1.13.2.Реальная (1) и идеализированная (2) характеристики сухого трения

Опыт показывает, что сила трения скольжения пропорциональна силе нормального давления тела на опору, а следовательно, и силе реакции опоры

Коэффициент пропорциональности μ называют коэффициентом трения скольжения.

Коэффициент трения μ – величина безразмерная. Обычно коэффициент трения меньше единицы. Он зависит от материалов соприкасающихся тел и от качества обработки поверхностей. При скольжении сила трения направлена по касательной к соприкасающимся поверхностям в сторону, противоположную относительной скорости (рис. 1.13.3).

Рисунок 1.13.3.Силы трения при скольжении (υ ≠ 0). – сила реакции опоры, – вес тела,

При движении твердого тела в жидкости или газе возникает силa вязкого трения. Сила вязкого трения значительно меньше силы сухого трения. Она также направлена в сторону, противоположную относительной скорости тела. При вязком трении нет трения покоя.

Сила вязкого трения сильно зависит от скорости тела. При достаточно малых скоростях Fтр ~ υ, при больших скоростях Fтр ~ υ2. При этом коэффициенты пропорциональности в этих соотношениях зависят от формы тела.

Силы трения возникают и при качении тела. Однако силы трения качения обычно достаточно малы. При решении простых задач этими силами пренебрегают.

Модель.
Движение по наклонной плоскости

Сила трения

Сила трения — это сила, возникающая при соприкосновении двух тел и препятствующая их относительному движению. Причиной возникновения трения является шероховатость трущихся поверхностей и взаимодействие молекул этих поверхностей. Сила трения зависит от материала трущихся поверхностей и от того, насколько сильно эти поверхности прижаты друг к другу. В простейших моделях трения (закон Кулона для трения) считается, что сила трения прямо пропорциональна силе нормальной реакции между трущимися поверхностями. В целом же, в связи со сложностью физико-химических процессов, протекающих в зоне взаимодействия трущихся тел, процессы трения принципиально не поддаются описанию с помощью простых моделей классической механики.

Разновидности силы трения

При наличии относительного движения двух контактирующих тел силы трения, возникающие при их взаимодействии, можно подразделить на:

  • Трение скольжения — сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих взаимодействующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения.
  • Трение качения — момент сил, возникающий при качении одного из двух контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого.
  • Трение покоя — сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга. Возникает при микроперемещениях (например, при деформации) контактирующих тел. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного относительного движения.
  • Трение верчения — момент силы, возникающий между двумя контактирующими телами при вращении одного из них относительно другого и направленный против вращения. Определяется формулой: M=pN{\displaystyle M=pN}, где N{\displaystyle N} — нормальное давление, p{\displaystyle p} — коэффициент трения верчения, имеющий размерность длины.

Характер фрикционного взаимодействия

В физике взаимодействие трения принято разделять на:

  • сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками (в том числе и твёрдыми смазочными материалами) — очень редко встречающийся на практике случай, характерная отличительная черта сухого трения — наличие значительной силы трения покоя;
  • граничное, когда в области контакта могут содержаться слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и так далее) — наиболее распространённый случай при трении скольжения;
  • смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
  • жидкостное (вязкое), при взаимодействии тел, разделённых слоем твёрдого тела (порошком графита), жидкости или газа (смазки) различной толщины — как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость, величина вязкого трения характеризуется вязкостью среды;
  • эластогидродинамическое (вязкоупругое), когда решающее значение имеет внутреннее трение в смазывающем материале, возникает при увеличении относительных скоростей перемещения.

Плюсы

У этого природного явления есть много плюсов, которые делают нашу жизнь такой, какая она есть. Причем список этих плюсов достаточно внушительный:

Мы можем ходить. Если бы силы трения не существовало, то сложно представить, как бы мы перемещались. Наша стопа бы просто не могла бы сцепиться с землей, чтобы оттолкнуть тело в нужном направлении.

Мы можем стоять. Да-да, без силы трения мы не смогли бы ходить, но и стоять на месте тоже, любое дуновение ветерка могло бы «сдуть» нас куда угодно.

Мы можем носить в руках предметы. Все, что мы берем в руки не выскальзывает не только потому, что мы крепко держим предмет, а в основном благодаря силе трения.

Движение с помощью транспорта. Шины автомобилей могут отталкиваться от асфальта и двигать машину только благодаря силе трения. Поезд едет за счет сцепления с рельсами. Самокат, велосипед, ролики и другой транспорт с колесами был бы немыслим без силы трения.

Борьба с гололедом. По льду ходить затруднительно, а вот по льду, присыпанному песком – другое дело. Благодаря увеличению силы трения, мы можем перемещаться в пространстве даже зимой, когда дороги покрыты льдом.

Существование предметов. Все предметы соединены не только благодаря силе трения, но она играет очень важную роль. Даже нитки держат нашу одежду благодаря тому, что в физике есть такое явление.

Предметы могут тормозить. Яркий пример пользы этого явления — аварийные съезды. Во многих горных местностях есть специальные съезды на дорогах на случай, если у машины откажут тормоза. Достаточно поехать в гору некоторое время, тогда в дело вступит сила трения, и машина затормозит самостоятельно.

Предметы могут стоять. Представьте себе мир, где предметы могут только скользить и кататься. Наверно, это было бы чем-то похоже на космос и состояние невесомости. И попытка просто поставить на стол предмет оканчивалась бы провалом, мало того, что он выскальзывает из рук, так даже если бы это и удалось победить, то все равно, при попытке поставить стакан на стол, он бы просто скользил и падал.

Фрикционные механизмы. Их действие основывается как раз таки на силе трения. В отличие от зубчатых механизмов, фрикционные сцепляются за счет силы трения. И хотя они не так надежны, их применяют в областях, где важна бесшумность работы, например при изготовлении магнитофонов, проигрыва­телей, спидометров

Хотя нередко их можно встретить в различных станках, где важность имеют, прежде всего, точность регулирования.

Защита Земли от комет и метеоритов. За счет силы трения они сгорают еще до того, как успевают приблизиться к земле.

Типы трения скольжения

Если между телами отсутствует жидкая или газообразная прослойка (смазочный материал), то такое трение называется сухим. В противном случае, трение называется «жидким». Характерной отличительной чертой сухого трения является наличие трения покоя.

По физике взаимодействия трение скольжения принято разделять на:

  • Сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазочными материалами — очень редко встречающийся на практике случай. Характерная отличительная черта сухого трения — наличие значительной силы трения покоя.
  • Сухое с сухой смазкой (графитовым порошком)
  • Жидкостное, при взаимодействии тел, разделённых слоем жидкости или газа (смазочного материала) различной толщины — как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость;
  • Смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
  • Граничное, когда в области контакта могут содержаться слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и т. д.) — наиболее распространённый случай при трении скольжения.

Также можно классифицировать трение по его области. Силы трения, возникающие при относительном перемещении различных тел, называются силами внешнего трения. Силы трения возникают и при относительном перемещении частей одного и того же тела. Трение между слоями одного и того же тела называется внутренним трением.

Измерение

В связи со сложностью физико-химических процессов, протекающих в зоне фрикционного взаимодействия, процессы трения принципиально не поддаются описанию с помощью методов классической механики. Поэтому нет точной формулы для коэффициента трения. Его оценка производится на основе эмпирических данных: так как по первому закону Ньютона тело движется равномерно и прямолинейно, когда внешняя сила уравновешивает возникающую при движении силу трения, то для измерения действующей на тело силы трения достаточно измерить силу, которую необходимо приложить к телу, чтобы оно двигалось без ускорения.

Минусы

Но даже у такой масштабной и важной природной силы есть свои минусы, которые немножко осложняют нам жизнь. Но их не так уж и много:

  • Движение тяжелых предметов. Чем меньше сила трения, тем легче сдвинуть предмет. Только вот в обычной жизни сила трения стандартная, что усложняет нам жизнь, когда нужно передвинуть какой-нибудь тяжелый предмет.
  • Предметы электризуются из-за силы трения. Конечно, в электризации предметов есть плюсы, но согласитесь, когда одежда бьется током и прилипает к телу, приятного в этом мало. Да и волосы, прилипающие к лицу и трещащие, когда пытаешься их пригладить.
  • Затрудняет работу различных механизмов за счет снижения коэффициента полезности действия. Для того чтобы увеличить КПД, приходится использовать различные вещества, которые помогают снизить силу трения.
  • Механизмы изнашиваются. Да и не только механизмы: подошва ваших любимых кед стирается, каменные ступеньки становятся скользкими, веревки перетираются, на носках появляются дырки – все это результат работы силы трения.
  • Невозможность создания вечного двигателя. Вечный двигатель – безумная мечта миллионов ученых за все время существования науки. Но недостижимая, потому что сила трения рано или поздно заставляет механизм остановиться.
  • Механизмы перегреваются. За счет силы трения возникает лишняя энергия, которая становится теплом, а затем нагревает элементы механизма. В некоторых случаях это может даже привести к возгоранию.
  • Спортивная скорость. Чтобы достигать высоких результатов, спортсмену необходимо напрячься, чтобы преодолеть силу трения. Многим спортсменам даже приходится брить свое тело, чтобы сделать кожу максимально гладкой. Как они утверждают, это помогает им снизить сопротивление воздуху, уменьшить силу трения и двигаться максимально быстро.

6.1 Диод

Принцип действия и устройство:Диод – устройство
состоящее из контакта двух полупроводников
pиnтипа (рис.6.1).

Рис.6.1 –
Структура полупроводникового диода

В месте контакта полупроводников
образуется особая зона называемая p
n переходом. Между
р и
n зонами образуется
разность потенциалов. Существуют диоды
на основе атомов кремния и германия.
Контактная разность потенциалов
для диодов на основе германия
составляет 0,2В ÷ 0,4В, для диодов на основе
кремния 0,4В ÷ 0,6В.

Условно графическое обозначение диода
дано на рис. 6.2.

Рис.6.2 –
Условно графическое обозначение диода

Вольтамперные характеристики диодов
(ВАХ) –

представлены на рис.6.3.

Рис.6.3 –
Вольтамперная характеристика диода

Из ВАХ видно, что диод хорошо проводит
ток
в одном направлении (если прямое
напряжение
)
и плохо в противоположном. Эти токи и
соответствующие напряжения между
выводами диода называются прямыми и
обратными токами –
,
прямыми и обратными напряжениями –

.

Если обратное напряжение станет больше
максимального допустимого

наступает пробой, ток в обратном
направлении резко увеличивается,

переход разогревается и диод разрушается.

Типы диодов:

Выпрямительные, импульсные, СВЧ,
специальные: регулируемая емкость
(варикап), стабилитрон, фотодиоды,
излучающие световые диоды.

Технические характеристики:

  • Тип диода, (Si,Ge),
    маркировка;

  • – максимально допустимый прямой ток,
    ;

  • – максимально допустимое обратное
    напряжение, ;

  • – максимально допустимая мощность
    рассеивания , (Вт).

Назначение: выпрямители, детекторы
сигналов (радио и телесвязь), логические
элементы, цифровые устройства,
стабилизаторы напряжения, шунты обратного
напряжения, регулируемые емкости,
световые индикаторы.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации