Tření je fenomén, se kterým se v každodenním životě setkáváme neustále. Není možné určit, zda je tření škodlivé nebo prospěšné. Udělat i krok na kluzkém ledu se zdá být náročný úkol, chůze po drsném asf altovém povrchu je radost. Autodíly bez mazání se opotřebovávají mnohem rychleji.
Studium tření, znalost jeho základních vlastností umožňuje člověku jej používat.
Síla tření ve fyzice
Síla vznikající při pohybu nebo pokusu o pohyb jednoho tělesa na povrchu druhého, namířená proti směru pohybu, působící na pohybující se tělesa, se nazývá třecí síla. Modul třecí síly, jehož vzorec závisí na mnoha parametrech, se mění v závislosti na typu odporu.
Rozlišují se následující typy tření:
• odpočinek;
• skluz;
• rolování.
Jakýkoli pokus posunout těžký předmět (skříň, kámen) z jeho místa vede k napětí síly člověka. Ne vždy se přitom podaří objekt uvést do pohybu. Tomu narušuje tření v klidu.
Klidový stav
Výpočtový vzorec pro statickou třecí síluneumožňuje nám ji určit dostatečně přesně. Na základě třetího Newtonova zákona závisí velikost statické odporové síly na použité síle.
S rostoucí silou roste i třecí síla.
0 < Fproblémy s odpočinkem < Fmax
Klidové tření zabraňuje vypadnutí hřebíků zaražených do dřeva; knoflíky šité nití pevně drží na svém místě. Zajímavé je, že právě odpor odpočinku umožňuje člověku chodit. Navíc je nasměrován ve směru lidského pohybu, což odporuje obecnému stavu věcí.
Jev klouzání
Když se vnější síla, která pohybuje tělesem, zvýší na hodnotu největší statické třecí síly, začne se pohybovat. Síla kluzného tření je uvažována v procesu klouzání jednoho tělesa po povrchu druhého. Jeho hodnota závisí na vlastnostech interagujících povrchů a na síle vertikálního působení na povrch.
Výpočtový vzorec pro sílu kluzného tření: F=ΜP, kde Μ je koeficient úměrnosti (kluzné tření), P je síla vertikálního (normálního) tlaku.
Jednou z hnacích sil je síla posuvného tření, jejíž vzorec je zapsán pomocí reakční síly podpěry. V důsledku naplnění třetího Newtonova zákona jsou síly normálního tlaku a reakce podpěry stejné velikosti a opačného směru: Р=N.
Než najdete třecí sílu, jejíž vzorec má jiný tvar (F=M N), určete reakční sílu.
Koeficient kluzného odporu je experimentálně zaveden pro dva třecí povrchy, závisí na kvalitě jejich zpracování a materiálu.
Tabulka. Hodnota součinitele odporu pro různé povrchy
| pp | Interakční povrchy | Hodnota koeficientu kluzného tření |
| 1 | Ocel+led | 0, 027 |
| 2 | Dub+dub | 0, 54 |
| 3 | Kůže+litina | 0, 28 |
| 4 | Bronz+železo | 0, 19 |
| 5 | Bronz+litina | 0, 16 |
| 6 | Ocel+ocel | 0, 15 |
Největší sílu statického tření, jejíž vzorec byl napsán výše, lze určit stejným způsobem jako sílu kluzného tření.
To je důležité při řešení problémů k určení síly jízdního odporu. Například kniha, která se pohybuje rukou stlačenou shora, klouže působením klidové odporové síly, která vzniká mezi rukou a knihou. Velikost odporu závisí na hodnotě svislé tlakové síly na knihu.
Rolling fenomén
Přechod našich předků z vleků na vozy je považován za revoluční. Vynález kola je největším vynálezem lidstva. Valivé tření, ke kterému dochází, když se kolo pohybuje po povrchu, je výrazně nižší než kluzný odpor.
Vznik valivých třecích sil je spojen se silami normálního tlaku kola na povrch a má povahu, která jej odlišuje od skluzu. Mírnou deformací kola vznikají ve středu tvářené plochy a podél jejích okrajů různé tlakové síly. Tento rozdíl sil určuje výskyt valivého odporu.
Výpočtový vzorec pro valivou třecí sílu se obvykle bere podobně jako u kluzného procesu. Rozdíl je vidět pouze v hodnotách koeficientu aerodynamického odporu.
Povaha odporu
Když se změní drsnost třecích ploch, změní se i hodnota třecí síly. Při velkém zvětšení vypadají dva povrchy v kontaktu jako hrbolky s ostrými vrcholy. Při překrývání jsou to vyčnívající části těla, které jsou ve vzájemném kontaktu. Celková plocha kontaktu je zanedbatelná. Při pohybu nebo pokusu o pohyb těles vytvářejí „vrcholy“odpor. Velikost třecí síly nezávisí na ploše kontaktních ploch.
Zdá se, že dva dokonale hladké povrchy by neměly mít absolutně žádný odpor. V praxi je třecí síla v tomto případě maximální. Tento rozpor se vysvětluje povahou původu sil. Jedná se o elektromagnetické síly působící mezi atomy interagujících těles.
Mechanické procesy, které nejsou v přírodě doprovázeny třením, jsou nemožné, protože schopnost "vypnout"mezi nabitými tělesy nedochází k žádné elektrické interakci. Nezávislost sil odporu na vzájemné poloze těles nám umožňuje nazývat je nepotencionální.
Je zajímavé, že třecí síla, jejíž vzorec se mění v závislosti na rychlosti interagujících těles, je úměrná druhé mocnině odpovídající rychlosti. Tato síla zahrnuje sílu viskózního odporu v tekutině.
Pohyb v kapalině a plynu
Pohyb pevného tělesa v kapalině nebo plynu, kapalině v blízkosti pevného povrchu je doprovázen viskózním odporem. Jeho výskyt je spojen s interakcí fluidních vrstev unášených pevným tělesem v procesu pohybu. Různé rychlosti vrstev jsou zdrojem viskózního tření. Zvláštností tohoto jevu je nepřítomnost kapalinového statického tření. Bez ohledu na velikost vnějšího vlivu se tělo v kapalině začne pohybovat.
V závislosti na rychlosti pohybu je odporová síla určena rychlostí pohybu, tvarem pohybujícího se tělesa a viskozitou kapaliny. Pohyb ve vodě a oleji téhož tělesa je doprovázen odporem různé velikosti.
Pro nízké rychlosti: F=kv, kde k je faktor úměrnosti závislý na lineárních rozměrech tělesa a vlastnostech média, v je rychlost tělesa.
Teplota kapaliny také ovlivňuje tření v ní. V mrazivém počasí se vůz zahřeje tak, aby se olej zahřál (snížila se jeho viskozita) a napomohlo ke snížení destrukce částí motoru, které jsou v kontaktu.
Zrychlit pohyb
Výrazné zvýšení rychlosti tělesa může způsobit vznik turbulentního proudění, zatímco odpor se dramaticky zvyšuje. Hodnoty jsou: čtverec rychlosti pohybu, hustota média a povrch těla. Vzorec třecí síly má jinou podobu:
F=kv2, kde k je faktor úměrnosti v závislosti na tvaru tělesa a vlastnostech média, v je rychlost tělesa.
Pokud je tělo aerodynamické, lze turbulence snížit. Tvar těla delfínů a velryb je dokonalým příkladem přírodních zákonů, které ovlivňují rychlost zvířat.
Energetický přístup
Pohyb těla brání odpor prostředí. Při použití zákona zachování energie říkají, že změna mechanické energie se rovná práci třecích sil.
Sílová práce se vypočítá podle vzorce: A=Fscosα, kde F je síla, pod kterou se těleso pohne o vzdálenost s, α je úhel mezi směry síly a posunutím.
Je zřejmé, že odporová síla je opačná k pohybu těla, odkud cosα=-1. Práce třecí síly, jejíž vzorec je Atr=- Fs, hodnota je záporná. V tomto případě se mechanická energie přemění na vnitřní energii (deformace, ohřev).
