Особливості переміщення наука про тертя Досьє
Файл - матерія та матеріали, з яких створений світ ?
Етьєн Гуйон
Заслужений професор
Опубліковано 05.05.2010
Змінено 20.10.2017
Опубліковано 05/12/2010 - Змінено 20/10/2017
Матеріали становлять чутливий горизонт нашого життя. Ми їх формуємо, працюємо, використовуємо. Зрозуміло одне: живе і неживе, природне і штучне, незалежно від їх розмірів, все складається з речовини, яка є результатом поєднання атомів, організованих у структури, спіралі або складки молекул.
Матерія та матеріали, з чого створений світ ?
Матерія в різних масштабах: дисперсна речовина
Часові шкали: матерія, свідок минулого часу
Особливості переміщення: наука про тертя
Матеріал для переміщення: насіння та пасажирські зерна
Носимий матеріал: інтелектуальний текстиль
Матерія та матеріали, авторська книга
Потирати, котити, ковзати, гальмувати. скільки повсякденних прикладів ми можемо знайти з цих простих дій ! Автомобіль, що котиться, як і змія, що повзає, рухається вперед, натираючи опору. Прикладна наука про тертя, яка називається трибологією і базується на фундаментальних поняттях адгезії та адгезії, дає змогу краще описати деякі аспекти переміщення, виклавши деякі універсальні принципи.
Дотримуватися або втирати ?
Леонардо да Вінчі був першим, хто провів наукове дослідження тертя, спостерігаючи ковзання блоку, розміщеного на похилій площині (рис. 1а). Він зазначив, що сила тертя пропорційна вазі. З цієї нагоди він зробив дивовижне і парадоксальне спостереження: кристали паралелепіпеда та аморфні тверді речовини
У масштабі. "data-image =" https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/e/6/8/e6888a7dfb_82227_solide.jpg "data-url ="/science/definitions/chemistry-solid-15332/"data-more =" Lire la suite "> тверде тіло завжди ковзає з однаковим граничним кутом нахилу землі, незалежно від поверхні, на якій воно розміщене: тому не має значення розмір поверхні контакту !
Адгезія однієї твердої речовини до іншої характеризується просто за допомогою книги, покладеної на стіл (рис. 1б). Він не рухається, поки залишається горизонтальним. Він не опускається глибше, оскільки його вага - назвемо його Р - збалансована силами реакції зі столу.
Давайте потягнемо книгу, пов’язавши її ниткою, що виступає зі столу, пов’язаною з масою на іншому кінці. Поки сила, що чиниться Т, залишається слабкою, книга залишається нерухомою. Отже, на рівні контакту зі столом існують інші сили, які протидіють руху. Книга починає ковзати, коли сила перевищує граничне значення T '. Якщо покласти другу книгу на першу, значення, необхідне для приведення вантажу в рух, подвоюється: відношення натягу до ваги µS = T '/ P однакове в обох випадках і називається коефіцієнтом статичного тертя. Він характеризує адгезію. Іншим способом вимірювання µS є нахил столу: у цьому випадку частина ваги книги тисне на стіл, інша тягне її вниз (рис. 1в). Поки кут нахилу не надто великий, книга залишатиметься нерухомою. Кут Ø, під яким книга починає ковзати, також характеризує адгезію до столу через відношення µS = tan Ø. Цей коефіцієнт залежить лише від природи контактуючих матеріалів. Ні площа контакту, ні навантаження не впливають на це.
Що станеться, якщо нахил столу ще більше зросте? Книга ковзає, тим швидше, що ці значення перевищуються. Потім явище, яке називається тертям, протиставляється руху. Його ефект можна виміряти методом, подібним до того, що використовується для визначення коефіцієнта адгезії µS. Т '' називають мінімальною силою розтягування, що дозволяє підтримувати ковзаючий рух твердого тіла, а N - складовою ваги, перпендикулярною опорі. Співвідношення µD = T ''/N сили розтягування та вагової складової є коефіцієнтом динамічного тертя.
Таблиця 1. Значення коефіцієнта статичного тертя, що відносяться до межі ковзання, вищі за значення, що відповідають динамічному тертю. Ці значення можуть змінюватися залежно від умов інтерфейсу.
У таблиці I наводяться приклади величини статичних µS та динамічних коефіцієнтів тертя µD. Зверніть увагу, що µD завжди менше µS: легше штовхнути щось, що вже рухається, ніж привести його в рух! Це видно, коли книга ковзає: вона не зупиняється, коли кут нахилу повертається до початкового значення. Це пояснюється тим, що в спокої мікроскопічні контакти між двома твердими речовинами з часом злегка роздавлюються, збільшуючи адгезію. Навпаки, коли тверде тіло знаходиться в русі, його кінетична енергія дозволяє подолати незначні перешкоди, з якими стикаються.
Як прилипають або натираються дві тверді речовини ?
Адгезія між двома твердими речовинами пояснюється двома явищами, які відбуваються в різному масштабі. Перша шкала - це шорсткість поверхні матеріалів, тобто дефекти площинності. Ці дефекти є причиною забруднення органічних речовин, азотистих речовин тощо.
Є різні сім'ї, такі як:
У дуже малому масштабі (у атомів) відбувається явище молекулярної адгезії, яке походить від мікроскопічних сил (їх називали Вони спочатку мали. "Data-url ="/science/definitions/chimie-force-van-der-waals- 4979/"data-more =" Детальніше "> Сили Ван-дер-Ваальса), що діють безпосередньо між атомами двох контактуючих поверхонь. Ці сили електричного характеру здійснюють притягання між твердими речовинами. Хоча вони набагато слабкіші, ніж когезивні сили твердих тіл (які в 100 разів сильніші), вони здатні протистояти підняттю твердого тіла, розміщеного на поверхні (чого не можна сказати про зчеплення через шорсткість).
Маленька тварина, багатоповерховий хват
Ця ящірка з’явилася б 50 - 60 мільйонів років тому і, як і всі. "data-image =" https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/7/0/e/70e898d611_50039024_rtemagicp-gecko-mekong-cnemaspis-psychedelica-lee-grismer-txdam26308-3bb7a0.jpg " data-url = "/ planete/definitions/zoologie-gecko-13055 /" data-more = "Read more"> геккон, використовує це явище молекулярної адгезії, щоб чіплятися за будь-яку поверхню (рис. 3 На кінчиках пальців багато волосків, приблизно 5000 на мм 2 (рис. 3в), на кінці яких розташовані інші ще менші волоски (рис. 3д та 3д). Кожен притягується до поверхні, на якій він розміщений: створена таким чином сила зчеплення достатня для збереження рептилія на стіні! Це спостереження надихнуло каліфорнійського дослідника Рона Файрінга на створення синтетичних структур з використанням наноструктур у вигляді волосків у масштабі субмікрометричного (рис. 3f).
Цей біоміметичний підхід нагадує історію самозахоплення смуг (Винайдено в 1951 р. "Data-image =" https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/f/3/c/f3cd9d762a_50036394_velcro -01.jpg "data-url ="/science/definitions/matiere-velcro-8741/"data-more =" Детальніше "> липучки, система велведмідь-крочет), розроблений у 1948 році швейцарським дослідником Юра, який займався розумінням того, як квіти лопуха чіпляються за шкарпетки.
Крім того, тертя викликає знос, оскільки руйнує певні перешкоди руху (шорсткість або молекулярні зв’язки). Тому ми бачимо ознаки зносу, що з’являються на більш м’якому твердому тілі. Це пошкодження поверхонь часто проявляється поступовим або раптовим видаленням матеріалу.
Історія трибології
Через сто п'ятдесят років після Леонардо да Вінчі закони статичного тертя незалежно перевідкриваються Гійомом Амонтоном. Пізніше інший французький вчений Шарль Огюстен Кулон, інженер укріплень, найбільш відомий своїми дослідженнями сил Приклади статичної електрики
Статична електрика - це сила, спричинена предметом, зарядженим електрикою на одному. "data-image =" https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/f/c/f/fcf5aed44d_50037351_400px-lightning-over-oradea-romania-2-02.jpg "data-url = "/ maison/definitions/maison-electrostatique-10656 /" data-more = "Read more"> електростатичний, цікавився кутом стійкості схилів. У 1780 р. він представив поняття тертя, стійкого до ковзання. назва, яку Історія збереже, щоб визначити межу тертя між двома твердими речовинами.
Закони трибології
Закони трибології (див. Рамку вище) були добре зрозумілі лише в 1950-х роках, завдяки механіку Денису Табору, який дав мікроскопічну інтерпретацію: він порівняв нанометричний масштаб двох поверхонь, що контактують, з двома рельєфними картами Швейцарії та Австрії, розміщеними догори вниз один проти одного! Дві тверді речовини торкаються один одного крихітними точками, де місцевий тиск особливо сильний (їх поверхня дуже мала). Кількість точок контакту мало залежить від загальної поверхні об'єкта, але дуже залежить від прикладеного навантаження. Важливим є фактична поверхня контакту всіх наконечників. Але ми побачимо деякі винятки щодо гнучких тіл, таких як гумові шини на дорожньому покритті, для яких ефекти молекулярної адгезії є суттєвими.
Змащення
Ковзання по твердій поверхні трохи схоже на гальмування, але мета протилежна! Оптимальне ковзання відповідає низькому коефіцієнту тертя: воно досягається обмеженням шорсткості поверхонь в Опис люка
В останньому випадку зовнішній вигляд систематично закривається. "data-image =" https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/3/1/2/31294d61c6_50037578_2456228493-195d6e1511-b-02.jpg "data-url ="/home/definitions/maison-Regard-10885/"data-more =" Детальніше "> увагу. Одна стратегія полягає у введенні третього тіла між двома поверхнями, які ковзають одна відносно одної. Потік рідини або газу, розміщений між двома паралельними поверхня полегшує їх відносний рух: ми говоримо про змащування. Однак це рух виробляє тепло, оскільки воно виражається коефіцієнтом, що представляє напруження зсуву, необхідне для створення градієнта швидкості потоку однієї одиниці речовини.
Простий. "data-url ="/science/definitions/physique-viscosite-2018/"data-more =" Read more "> в'язкість. Зокрема, сили в'язкості можуть стати дуже високими, якщо дві тверді речовини дуже близькі.
Настільні види спорту ґрунтуються на цій стратегії. Коли лижі ковзають по снігу, сніг піддається зсуву, який викликає місцевий нагрів і температуру плавлення води, іншими словами, температуру, при якій лід схоплюється. "data-image =" https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/7/d/0/7d0df59f3c_82086_fusion.jpg "data-url ="/science/definitions/physique-fusion-15305/"data-more =" Детальніше "> танення води. Підошва лижі покрита незмочувальною плівкою (наприклад, силіконом), яка запобігає поширенню рідкої води на поверхні. Тому утворюється серія дуже дрібних крапель які котяться вздовж мікрозаглиблень підошви (вони замінюють центральний паз старих лиж). Цей потік, що нагадує той, що відбувається в кульовому підшипнику, сприяє ковзанню лижника.
Подібним чином, у випадку з фігуристом, який рухається по льоду, ковзання металевої поверхні ковзани відбувається на дуже тонкому суцільному шарі рідкої води, природно присутній на всій поверхні льоду (цей шар не призводить до нагрівальний ефект на ковзані, ані тиск ковзана на льоду, що відрізняється у випадку лижника).
Те саме явище використовується у «скімборі» (рис. 4). Тонка плівка води встановлюється між дошкою та штучним піском
Пісок також можна отримати штучним шляхом, шляхом. "data-image =" https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/4/e/9/4e957f8c38_92834_sable.jpg "data-url ="/planete/definitions/geologie-sable-6009/"data-more =" Детальніше "> пісок дуже близько до краю води. Потік плівки рідини між дошкою та піском проходить в режимі, який називається гідродинамікою. Він характеризується дуже низьким коефіцієнтом тертя.
Однак змащення не завжди є бажаним явищем. Таким чином, аквапланування під сильним дощем, якого так бояться автомобілісти (втрата зчеплення з колесом навіть по прямій лінії), відбувається, якщо рельєф шин недостатній для видалення води з-під коліс. Змащення також відіграє важливу роль у технічних досягненнях, що включають відносні рухи, а це означає, що "масло є другом механіки". Наприклад, у підшипниках мастила, один циліндр обертається відносно другого нерухомого циліндра, в результаті чого утворюється в'язка рідина. Це дисбаланс тиску, що виникає внаслідок переміщення рідини між циліндрами, що підтримує рухливий циліндр.