Трение в природе и технике

Изучением трения ученые занимаются уже пятьсот лет. Первым его исследовал еще Леонардо да Винчи (1452—1519). Важные результаты в этой области были получены французскими учеными Г. Амонтоном (1663—1705) и Ш. Кулоном (1736—1806).

Какую роль играет трение в природе и технике — положительную или отрицательную? На этот вопрос нельзя дать однозначного ответа. Трение может быть как полезным, так и вредным. В первом случае его стараются усилить, во втором — ослабить.

В отсутствие трения покоя ни люди, ни животные не могли бы ходить по земле. В гололедицу, когда трение между подошвой обуви и льдом становится малым и ноги начинают скользить, лед посыпают песком: песок увеличивает трение.

На гладкой поверхности не смогли бы двигаться и автомобили: их колеса, вращаясь, проскальзывали бы и буксовали на месте.

Именно трение останавливает машины при торможении. На льду они даже при включенных тормозах продолжали бы двигаться по инерции.

Но трение может играть и отрицательную роль. Ведь именно из-за него нагреваются и изнашиваются многие движущиеся части различных механизмов. В таких случаях его стараются уменьшить.

Существуют разные способы уменьшения трения.

1. Введение между трущимися поверхностями смазки (например, какого-либо масла). При наличии смазки (рис. 42) соприкасаются не сами поверхности тел, а ее соседние слои. Трение же между слоями жидкости слабее, чем между твердыми поверхностями. Кстати, именно благодаря смазке, возникающей в результате таяния льда под коньком, скольжение на коньках по льду сопровождается очень слабым трением. 2. Использование шариковых и роликовых подшипников (рис. 43). Внутреннее кольцо таких подшипников насаживают на вал какой-либо машины или станка. Наружное кольцо подшипника закрепляют в корпусе машины. Когда машину или станок включают и вал начинает вращаться, то вместе с внутренним кольцом он начинает не скользить, а катиться на шариках или роликах, находящихся между кольцами подшипника. Трение же качения существенно меньше трения скольжения. Поэтому вращающиеся части машин при наличии подшипников изнашиваются значительно медленнее и дольше служат людям. 3. Применение воздушной подушки. Уменьшение трения при этом происходит за счет того, что между машиной и опорой создается область воздуха с повышенным давлением, препятствующая их непосредственному контакту. Подобные устройства применяют в судах на воздушной подушке, экранопланах и других аппаратах.

1. Приведите примеры, показывающие, что трение может быть полезным. 2. Приведите примеры, показывающие, что треиие может быть вредным. 3. Какие способы увеличения и уменьшения трения вы знаете?

Урок — судебный процесс по теме «Трение»

Разделы: Физика

Задачи урока:

1. обучающая: Обобщить понятие силы трения, видов трения: трения качения, трения скольжения, трения покоя.
2. развивающая: Развивать наблюдательность учащихся, умение в окружающем мире видеть физические явления, умение сравнивать, видеть положительное и отрицательное проявление силы трения.
3. воспитывающая: Способствовать воспитанию у учащихся чувства ответственности, коллективистических качеств личности.

Оборудование:

• Газета: «Трение в природе и технике»
• Портрет Леонардо да Винчи.
• Газета: «Кто виноват? Трение?»
• Диафильм: Трение
• На столе: наклонная плоскость, детская заводная машинка, книга «Трение и мы», запись на магнитофоне.

Ход урока

Встать! Суд идет!

Главный судья: Сегодня слушается дело №2 по обвинению Трения. Оно обвиняется в том, что по его вине в машинах нагреваются и изнашиваются движущиеся части, рушатся мосты, останавливаются станки и в множестве других преступлений. Мы призываем сегодня обстоятельно разобраться в поставленном нами вопросе, со справедливостью выслушать показания свидетелей и вынести справедливый приговор. Ввести подсудимую.

Главный судья: Установим личность подсудимой. Подсудимая, ваша фамилия, имя, отчество.

Трение: Трение физическое.

Главный судья: Я предупреждаю вас подсудимая, что вы должны говорить правду и только правду и что вы несете ответственность за дачу ложных показаний. Нам известно, что вы живете под тремя фамилиями. Назовите их.

Трение: Мне от уважаемого суда скрывать нечего. Мои фамилии: Трение Качения; Трение Скольжения; Трение Покоя.

Главный судья: Ваши родители?

Трение: Гильом Амонтон и Леонардо да Винчи.

Главный судья: Ваша биография?

Трение: Впервые со мной встречались первобытные люди, которые добыли огонь трением. Люди получали трение когда перетаскивали огромные глыбы. 4 тысячи лет до н.э. на Кавказе появились неуклюжие повозки на колесах, в которых впрягали волов, а позднее лошадей. Так, шаг за шагом, человек учился бороться со мной. При раскопках одного из древнейших шумерских городов, Урука, обнаружены остатки массивных деревянных колес, которым 4,5 тысяч лет. Колеса обиты медными гвоздями для защиты обода от изнашивания. В то далекое время причина моего появления мало кого интересовала до тех пор, пока, Гильом Амонтон не вывел закон трения.

Главный судья: Что вы собой представляете?

Трение: Я – это сила, которая возникает при движении одного тела по поверхности другого и направленная против движения. Я живу под тремя фамилиями и это вам объяснено! (показывает опыты)

Опыт 1: Трение скольжения (брусок на нитке скользит по столу)

Опыт 2: Трение качения (заводная игрушка)

Опыт 3: Трение покоя (бантики у девочек)

(объясняет каждый опыт)

Главный судья: Есть ли вопросы к трению у прокурора?

Главный судья: У адвоката?

Адвокат: У меня есть вопрос к суду: будет ли приниматься во внимание тот факт, что родителями трения были такие великие люди, как Гильом Амонтон и Леонардо да Винчи?

Главный судья: Суд рассматривает все факты.

Адвокат: В таком случае будут ли судьи снисходительны к подсудимой, учитывая заслуги ее родителей?

Главный судья: Суд учитывает все факты.

Адвокат: У меня пока все.

Главный судья: Есть ли вопросы к подсудимой у заседателей?

Заседатель 1: Кому вы принадлежите?

Трение: Всем телам, абсолютно всем.

Заседатель 2: Область применения ваших сил?

Трение: Физика, техника, жизнь. Рассказывает о трении по газете «Кто виноват? Трение?»

Главный судья: Следователь рассмотрел все известные материалы подсудимой, в частности, сочинения известного швейцарского физика, лауреата Нобелевской премии Гийома Шарля Эдуарда. Этот исторический документ передан суду.

Запись на магнитофоне: «Вообразите, что трение может быть устранено совершенно. Тогда никакие тела, будь они величиною с каменную глыбу или малы, как песчинка, никогда не удержаться одно на другом: все будет скользить, и катиться пока не окажется на одном уровне. Не будь трения, Земля представляла бы собою шар без неровностей, подобно жидкому. К этому можно добавить, что если бы не было трения, неизвестно, как прошло бы развитие цивилизации на Земле. ведь наши предки добывали огонь трением».

Главный судья: У суда есть еще один исторический документ. В России, в начале XIX в наблюдалось следующее.

Запись на магнитофоне: «Когда первый поезд шел по только что построенной железной дороге из Петербурга в Москву, один услужливый царский чиновник, желая угодить начальству, приказал над подведомственном ему перегоне выкрасить рельсы белой масляной краской. Попав на участок со свежевыкрашенными рельсами, колеса поезда забуксовали, и поезд остановился. Случилось это потому, что из-за смазки сила трения покоя резко уменьшилась и ее не хватило на то, что бы тянуть поезд. Пришлось срочно соскребать краску на перегоне в несколько километров»

Главный судья: Теперь переходим к заслушиванию свидетелей. Свидетель Захаров, пожалуйста.

Свидетель: Я, когда вырасту, мечтаю быть шофером, мне интересно все, что касается машин. Трение для для машин очень вредно и с ним приходится бороться. Во всех машинах из-за трения нагреваются и изнашиваются движущиеся части. Чтобы уменьшить трение используют подшипники. (показывает подшипник и объясняет)

Главный судья: Вызывается свидетель Шабарханов – хоккеист, игрок команды «Снежинка» (выходит мальчик, одетый в форму хоккеиста)

Свидетель: Я очень люблю спорт. Я хоккеист и знаю по своему спортивному опыту, что трение – эта преступница мне очень мешает. Во время матча я дал пасс, но шайба из-за трения не смогла доскользить до напарника, и её быстро перехватил соперник. Из-за трения наша команда «Снежинка» проиграла.

Прокурор: Я прошу всех сидящих в этом зале отнестись очень серьезно к этому вопросу, так как многие страдали из-за трения. Вспомните факты, примеры из вашей жизни, изобличающие эту преступницу.

Свидетель: Однажды в Мюнхене рухнул мост, и виноват в этом был не ураганный ветер, не полк, идущих в ногу солдат, а трение. Пострадало очень много человек, а виновато только трение! (выходит мальчик, одет в спортивную шапочку, куртку, в руках – лыжи).

Свидетель: Сейчас на улице зима. И мое самое любимое занятие – это катание на лыжах. Но и здесь меня преследует трение. Очень трудно кататься на лыжах из-за большого трения скольжения. Приходится с ним бороться. Я смазываю лыжи мазью.

Свидетель: Я ехал в автобусе. Это было обеденное время. Народу в автобусе было очень много и чтобы пробраться из одного конца автобуса в другой мне пришлось извиваться ужом. И все из-за трения.

Главный судья: Вызываются свидетели защиты. Будущая швея-мотористка – Бурматова. (выходит девочка в одежде швеи)

Свидетель: Моя заветная мечта – быть швеёй-мотористкой. Но как же я буду работать без трения? Ведь два сшитых нами куска ткани держатся из-за трения покоя между нитками и тканью. Без трения из ткани невозможно было бы ничего сшить.

Свидетель: Даже представить себе нельзя, что было бы на Земле, если бы не было трения. Все мы сейчас находились бы в больнице. Вы скажите, почему? Да потому, что когда бы мы переходили улицы, машины бы не тормозили на короткое время, а ехали бы, сталкиваясь друг с другом. Вот что бы произошло, не помоги вовремя трение. (читает по стенду информацию о правилах дорожного движения, фотографии аварий, цифры)

Адвокат: Господа, сидящие в зале! Постарайтесь вспомнить сколько хорошего сделала для вас подсудимая и сообщите эти факты суду.

Свидетель: Я из клуба «Юных натуралистов». Мы очень любим природу. Всегда восхищаемся зимним нарядом деревьев, но если бы не было трения, не было бы этой красоты. Так как иней и снег не держались бы на ветвях деревьев. (показывает картины природы)

(выходит моряк в бескозырке и тельняшке)

Свидетель: Вы когда-нибудь видели, как сдерживают ход корабля, подошедшего к пристани? С парохода на пристань бросают канат, на конце которого сделана широкая петля. Человек на пристани надевает петлю на причальную тумбу. Сила трения останавливает движение судна.

Почему звучит скрипичная струна, когда по ней ведут смычком? Ответ на этот вопрос дают законы трения. (звучит скрипка).

Главный судья: Слово предоставляется прокурору.

Прокурор: Уважаемый суд! Зачем мы здесь собрались? Ведь вина подсудимого очевидна. При всем моем уважении к адвокату, я не понимаю, как можно ее защищать? Каждый из нас ощущал на себе ее издевательства. Не по ее ли вине проигрывает наша хоккейная команда? Кто из нас не падал споткнувшись? Посмотрите на нее. Ей стыдно! И кто-то еще пытается говорить о ее невиновности. Остановите это, пожалуйста!

Главный судья: Слово предоставляется адвокату.

Адвокат: Если рассматривать поступки трения с юридической точки зрения, то нужно заметить, что достоинств у трения больше, чем недостатков, т.к. трение используется как в быту, так и в технике. Приведем пример: без трения ни люди, ни животные не могли бы передвигаться по Земле. При ходьбе мы отталкиваемся ногами от Земли. В гололёдицу же, когда трение мало, отталкиваться от Земли очень трудно, ноги при этом скользят. Сила трения останавливает автомобиль при торможении. Без трения он не смог бы и начать движение. Чтобы увеличить трение, поверхность шин у автомашин делают ребристой. Зимой на колеса надевают специальные цепи. Можно привести еще множество примеров, показывающих помощь трения человеку, например: не будь трения, все предметы выскальзывали бы из рук, мы бы не могли стоять на Земле. Более того, я считаю, что мы должны поблагодарить трение за помощь человеку.

Главный судья: Суд удаляется на совещание.

(трение рассказывает о подборке книг)

Решение суда: Наш суд был скорым и правым. Внимательно выслушав обе стороны, суд пришел к следующему решению: Учитывая некоторые отрицательные стороны деятельности трения, суд, тем не менее, полагаясь на свой собственный опыт, на речь уважаемой защиты и показания свидетелей защиты считает большую часть обвинений преувеличенными, а посему постановляет:

С учетом полезности положительных сторон трении и вредности отрицательных необходимо всемерно расширять использование положительных сторон трения и вести борьбу с отрицательными, для чего неустанно изучать и глубоко осмысливать законы физики, проникать в тайны природы и ставить их на службу человеку!

Движущиеся части — Moving parts

Машины включают в себя как неподвижные, так и подвижные части . Движущиеся части имеют контролируемые и ограниченные движения.

Движущиеся части — это компоненты машины, за исключением движущихся жидкостей, таких как топливо , охлаждающая жидкость или гидравлическая жидкость . Движущиеся части также не включают никаких механических замков , переключателей , гаек и болтов , навинчивающихся крышек для бутылок и т.д. Система без движущихся частей описывается как « твердотельная ».

Содержание

Механический КПД и износ

Количество движущихся частей в машине является фактором ее механической эффективности . Чем больше количество движущихся частей, тем больше энергии теряется на тепло из-за трения между этими частями. Например, в современном автомобильном двигателе примерно 7% общей мощности, получаемой от сжигания топлива двигателя, теряется на трение между движущимися частями двигателя.

И наоборот, чем меньше количество движущихся частей, тем выше эффективность. Машины без движущихся частей могут быть очень эффективными. Электрического трансформатора , к примеру, не имеет подвижных частей, и его механический КПД , как правило , выше 90% -ной отметки. (Остающиеся потери мощности в трансформаторе вызваны другими причинами, включая потери на электрическое сопротивление в медных обмотках и потери на гистерезис и потери на вихревые токи в железном сердечнике.)

Два средства используются для преодоления потерь эффективности, вызванных трением между движущимися частями. Сначала смазываются движущиеся части . Во-вторых, движущиеся части машины спроектированы таким образом, что они имеют небольшой контакт друг с другом. Последнее, в свою очередь, включает два подхода. Машину можно уменьшить в размерах, тем самым довольно просто уменьшив площади движущихся частей, которые трутся друг о друга; и конструкции отдельных компонентов могут быть изменены, изменяя их формы и структуры, чтобы уменьшить или избежать контакта друг с другом.

Смазка также снижает износ , как и использование подходящих материалов. Износ движущихся частей может повлиять на точность станка. Таким образом, проектировщики должны проектировать движущиеся части с учетом этого фактора, обеспечивая, чтобы, если точность на протяжении всего срока службы машины имеет первостепенное значение, этот износ учитывался и, по возможности, сводился к минимуму. (Простым примером этого является конструкция простой одноколесной тачки . Конструкция, в которой ось прикреплена к рычагам тачки, а колесо вращается вокруг нее, подвержена износу, что быстро вызывает колебание, тогда как вращающаяся ось, которая прикреплена к колесу, и который вращается на подшипниках в рычагах, не начинает раскачиваться, поскольку ось изнашивается через рычаги.)

Научная и инженерная дисциплина, которая занимается смазкой, трением и износом движущихся частей, — это трибология , междисциплинарная область, которая охватывает материаловедение , машиностроение , химию и механику .

Неудача

Как уже упоминалось, износ движущихся частей машины. К другим проблемам, которые приводят к отказу, относятся коррозия , эрозия , тепловое напряжение и тепловыделение, вибрация , усталостная нагрузка и кавитация .

Усталость связана с большими силами инерции и зависит от типа движения движущейся части. Движущаяся часть, которая имеет равномерное вращательное движение, менее подвержена усталости, чем движущаяся часть, которая колеблется вперед и назад. Вибрация приводит к отказу, когда частота форсирования работы машины достигает резонансной частоты одной или нескольких движущихся частей, таких как вращающиеся валы. Дизайнеры избегают этих проблем, вычисляя собственные частоты деталей во время проектирования и изменяя детали для ограничения или устранения такого резонанса.

К другим факторам, которые могут привести к выходу из строя движущихся частей, относятся отказы в системах охлаждения и смазки машины.

Последний, особый фактор, связанный с отказом движущихся частей, — кинетическая энергия. Внезапное высвобождение кинетической энергии движущихся частей машины вызывает отказы из-за перегрузки, если движущейся части препятствует инородный объект. Например, рассмотрим камень, застрявший на лопастях вентилятора или пропеллера, или даже пресловутый « гаечный ключ / гаечный ключ в работе». (Для дальнейшего обсуждения см. Повреждение посторонним предметом .)

Кинетическая энергия движущихся частей машины

Кинетическая энергия из машины равна сумме кинетических энергий отдельных ее движущихся частей. Машину с движущимися частями математически можно рассматривать как связанную систему тел, кинетические энергии которых просто суммируются. Отдельные кинетические энергии определяются из кинетических энергий поступательных движений и вращений движущихся частей вокруг их осей.

Кинетическая энергия вращения подвижных частей можно определить, отметив , что каждая такая система подвижных частей может быть сведено к совокупности связанных тел , вращающихся вокруг мгновенной оси, которые образуют либо кольцо или часть идеального кольца, из радиус вращения со скоростью вращения в секунду . Это идеальное кольцо известно как эквивалентный маховик , радиус которого равен радиусу вращения . Интеграл квадратов радиусов всех участков кольца по отношению к их массе , также экспрессируемый если кольцо моделируются как набор дискретных частиц в виде суммы произведений этой массы и квадраты их радиусами является момент инерции кольца , обозначенный . Кинетическая энергия вращения всей системы движущихся частей равна , где — угловая скорость движущихся частей относительно той же оси, что и момент инерции. а <\ displaystyle a> п <\ displaystyle n> ∫ а 2 d м <\ displaystyle \ int a ^ <2>dm> ∑ k знак равно 0 п м k × а k 2 <\ displaystyle \ sum _ ^ m_ \ times a_ ^ <2>> я <\ displaystyle I> 1 2 я ω 2 <\ displaystyle <\ frac <1><2>> я \ omega ^ <2>> ω <\ displaystyle \ omega>

Кинетическая энергия перевода движущихся частей , где общая масса и является величиной от скорости . Это дает формулу для полной кинетической энергии движущихся частей машины как . 1 2 м v 2 <\ displaystyle <\ frac <1><2>> мв ^ <2>> м <\ displaystyle m> v <\ displaystyle v> 1 2 я ω 2 + 1 2 м v 2 <\ displaystyle <\ frac <1><2>> I \ omega ^ <2>+ <\ frac <1><2>> mv ^ <2>>

Представление движущихся частей на инженерных схемах

На техническом чертеже движущиеся части обычно обозначаются путем рисования сплошного контура детали в ее основном или исходном положении с добавленным контуром детали во вторичной перемещенной позиции, нарисованной фантомной линией (линия, содержащая » «точка-точка-тире» из двух коротких и одного длинного отрезка) очерчивают. Эти условные обозначения закреплены в нескольких стандартах Американского национального института стандартов и Американского общества инженеров-механиков , включая ASME Y14.2M, опубликованный в 1979 году.

В последние десятилетия использование анимации стало более практичным и широко распространенным в технических и инженерных схемах для иллюстрации движений движущихся частей. Анимация более четко представляет движущиеся части и позволяет легче визуализировать их и их движения. Кроме того, инструменты компьютерного проектирования позволяют моделировать движения движущихся частей, позволяя конструкторам машин определять, например, будут ли движущиеся части в данной конструкции препятствовать движению друг друга или сталкиваться с помощью простого визуального осмотра (анимированного) компьютера. модель, а не дизайнер, выполняющий численный анализ напрямую.