Коэффициент трения скольжения снег
СНЕГ И ЕГО СВОЙСТВА
Вам, конечно, известно, что лыжники в зависимости от состояния снега и температуры наружного воздуха применяют для смазки лыж различные мази. На дворе оттепель — одна мазь, мороз — другая. Намазал не той мазью, и лыжа не скользит, к ней прилипает снег, тормозит движение.
Для лыж справедлива пословица: «Не подмажешь, не поедешь». А на севере подошвы лыж обтягивают оленьей шкурой. Шкура и без мази хорошо скользит по любому снегу, только надо прибивать ее ворсом по ходу движения. На таких лыжах и в гору можно подниматься без палок. При обратном скольжении ворс топорщится, врезается в снег и тормозит лыжу.
Ученые провели много наблюдений за снегом и установили, что он не везде одинаков. Его свойства изменяются в очень больших пределах в зависимости от температуры воздуха, ветра и многих других причин.
Кроме того, было установлено, что в разных районах страны снег также различен. В Архангельске он более тяжелый, влажный и липкий, в Якутске рассыпчатый, мелкий, как мука, и сухой, а на севере есть такой снег, который пилят пилой и по нему, как по асфальту, могут двигаться не проваливаясь автомобили.
Изменяются свойства снега и с течением времени, причем он различен не только в начале и конце зимы, но иногда даже и в течение одного дня он несколько раз меняет свою структуру.
Лыжи аэросаней постоянно соприкасаются со снегом. Он-то и создает сопротивление, на преодоление которого затрачивается тяговое усилие, развиваемое установленным на аэросанях воздушным винтом. Это сопротивление в основном возникает от трения подошв лыж о снег и от уплотнения снега при прокладывании следа.
Величина сопротивления трения зависит от коэффициента трения, который изменяется в зависимости от состояния снега (дороги) и от материала, из которого сделана ходовая подошва. Величины коэффициента трения для подошвы лыжи, изготовленной из обычной, углеродистой стали, приведены в таблице 1.
КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ СТАЛЬНОЙ ПОДОШВЫ ЛЫЖ о СНЕГ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ МИНУС 4°С
Тип и состояние дороги
Коэффициент трения
Лед и обледенелая дорога
0,008—0,010
Укатанная снежная дорога
0,012—0,180
Снежная дорога слегка рыхлая
0,020—0,025
Рыхлая снежная дорога
0,025—0,050
Рыхлая снежная целина
Снежная целина (свежевыпавшая)
Крупитчатый снег (при — 2°С)
Снежная целина в оттепель (при — f 4°С)
Снежная дорога сильно загрязненная
Изменение температуры воздуха оказывает значительное влияние на изменение величины коэффициента трения. С понижением температуры он увеличивается, В Якутии при температурах воздуха минус 55—60° снег по своей структуре похож на порошок, а коэффициент трения настолько велик, что не только лыжи по снегу, но даже и коньки по льду не скользят.
Изменение коэффициента трения при понижении температуры для целинного снега различной структуры приведено в таблице 2.
ИЗМЕНЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
Структура снега
Коэффициент
при темпера]уре °С
Пушистый
Метелевый
Зернистый
Из данных таблицы видно, что понижение температуры от нуля до минус 40° увеличивает коэффициент трения почти в три раза.
Приведенные в таблицах 1 и 2 величины необходимо знать, чтобы не удивляться, если вдруг, в каких-то особых условиях, лыжи аэросаней перестанут скользить.
На изменение величин, приведеных в таблицах 1 и 2, строители аэросаней повлиять не могут, но, подобрав на подошвы лыж материал с наименьшим коэффициентом трения, они могут значительно снизить общее сопротивление движению аэросаней.
Снег имеет и еще одну особенность, связанную с коэффициентом трения, которая доставляет много неприятностей и лыжникам и аэросанщикам. Это налипание и намерзание снега на подошвы лыж.
В теплую погоду (плюс 3 — минус 10°) обычно бывает так.
Бежит лыжник — лыжи скользят хорошо. Остановился. Постоял 2—3 минуты. Хочет стронуться — а лыжи прилипли.
Такое же явление наблюдается и на аэросанях. Различный снег по-разному налипает на лыжи. В одном случае достаточно резкого толчка или удара по лыже, и снег отваливается от подошвы, в другом — его и ножом не соскоблишь.
В журнале «Метеорология и гидрология» № 4 за 1940 год была опубликована интересная сравнительная таблица коэффициентов трения при страгивании с места и при движении (скольжении).
Из таблицы видно, что коэффициент трения при страгивании значительно больше, чем при скольжении. Установлено, что усилие, необходимое для страгивания, в четыре-пять раз превышает развиваемую двигателем аэросаней тягу.
С прилипанием лыж, как мы уже сказали, можно бороться. Кроме резкого удара, нарушающего сцепление лыжи со снегом, можно применять на подошвах лыж непримерзающие материалы — фторопласт-4, полиэтилен низкого давления и др.
Каждый из вас знает, конечно, что при ходьбе на лыжах глубина следа, оставляемая ими, бывает разная. Она зависит от состояния снега. На подмороженном после оттепели снегу лыжи совсем не проваливаются. А по пушистому снегу, несмотря на то что площадь лыж достаточно большая, приходится двигаться по колено в снегу.
Следовательно, различный снег имеет и различную несущую способность, называемую плотностью снега. Практика показала, что для аэросаней надо брать лыжи такой площади, чтобы удельное давление на 1 м2 было в пределах 500—600 кг. При этом лыжи будут проваливаться на 100—300 мм, что вполне приемлемо и даже необходимо для обеспечения устойчивости хода аэросаней.
При движении аэросаней по рыхлому, не уплотненному снегу на прокладывание следа и его уплотнение под подошвой лыж тратится часть тягового усилия. И, естественно, с увеличением плотности снега величина сопротивления движению лыж должна возрастать. Однако это не совсем так.
С увеличением плотности снега глубина следа будет уменьшаться и, следовательно, на прокладывание следа будет затрачиваться меньше мощности. На плотном же снегу, на укатанной дороге и на льду лыжи вообще не проваливаются, и на прокладывание следа мощность тратиться не будет.
При проведении многочисленных испытаний лыж и аэросаней было замечено, что чем быстрее движутся аэросани, тем меньше глубина следа и меньше общее сопротивление снега движению аэросаней. С увеличением скорости лыжи как бы всплывают и движутся по поверхности снега. Давление, которое действует на поверхность снега, не распространяется сразу на всю толщину его слоя. Уплотнение снега под нагрузкой происходит постепенно, требуя какого-то времени на его деформацию.
А. А. Крживицкий в своей книге «Автотранспорт снежного пути» приводит следующую таблицу результатов вдавливания в снег площадки, движущейся с различной скоростью.
ЗАВИСИМОСТЬ ГЛУБИНЫ ВДАВЛИВАНИЯ СНЕГА ОТ СКОРОСТИ
Источник
Коэффициенты трения покоя и трения качения
Сила трения качения описывается как: Fтр=kтр(Fn/r) , где kтр- коэффициент трения а Fn — прижимающая сила, а r — радиус колеса. Размерность коэффициента трения качения, естественно, [длина]. Ниже приводится таблица полезных диапазонов коэффициентов трения качения для различных пар материалов в см.
Коэффициенты трения скольжения для различных материалов
| Трущиеся поверхности | k |
| Бронза по бронзе | 0,2 |
| Бронза по стали | 0,18 |
| Дерево сухое по дереву | 0,25 — 0,5 |
| Деревянные полозья по снегу и льду | 0,035 |
| то же, но полозья обиты стальной полосой | 0,02 |
| Дуб по дубу вдоль волокон | 0,48 |
| тоже поперек волокон одного тела и вдоль волокон другого | 0,34 |
| Канат пеньковый мокрый по дубу | 0,33 |
| Канат пеньковый сухой по дубу | 0,53 |
| Кожаный ремень влажный по металлу | 0,36 |
| Кожаный ремень влажный по дубу | 0,27 — 0,38 |
| Кожаный ремень сухой по металлу | 0,56 |
| Колесо со стальным бандажом по стальному рельсу | 0,16 |
| Лед по льду | 0,028 |
| Медь по чугуну | 0,27 |
| Металл влажный по дубу | 0,24-0,26 |
| Металл сухой по дубу | 0,5-0,6 |
| Подшипник скольжения при смазке | 0,02-0,08 |
| Резина (шины) по твердому грунту | 0,4-0,6 |
| Резина (шины) по чугуну | 0,83 |
| Смазанный жиром кожаный ремень по металлу | 0,23 |
| Сталь (или чугун) по феродо* и райбесту* | 0,25-0,45 |
| Сталь по железу | 0,19 |
| Сталь по льду (коньки) | 0,02-0,03 |
| Сталь по стали | 0,18 |
| Сталь по чугуну | 0,16 |
| Фторопласт по нержавеющей стали | 0,064-0,080 |
| Фторопласт-4 по фторопласту | 0,052-0,086 |
| Чугун по бронзе | 0,21 |
| Чугун по чугуну | 0,16 |
| Примечание. Звездочкой отмечены материалы, применяемые в тормозных и фрикционных устройствах. | |
Таблица коэффициентов трения покоя (коэффициентов сцепления) для различных пар материалов.
Материал
Ксц
Химически чистые металл по металлу
Сплавы, по стали
Стальные поверхности высокой твердости при смазке:
Неметаллические материалы
Коэффициенты трения качения.
Сила трения качения описывается как:
Fтр=kтр(Fn/r) , где kтр— коэффициент трения а Fn — прижимающая сила, а r — радиус колеса.
Размерность коэффициента трения качения, естественно, [длина].
Ниже приводится таблица полезных диапазонов коэффициентов трения качения для различных пар материалов в см.
| Стальное колесо по стали | 0,001-0,05 |
| Дереянное колесо по дереву | 0,05-0,08 |
| Стальное колесо по дереву | 0,15-0,25 |
| Пневматичекая шина по асфальту | 0,006-0,02 |
| Деревянное колесо по стали | 0,03-0,04 |
| Шарикоподшипник (подшипник качения) | 0,001-0,004 |
| Роликоподшипник (тоже качения) | 0,0025-0,01 |
| Шарик твердой стали по стали | 0,0005-0,001 |
Сила трения скольжения — силы, возникающие между соприкасающимися телами при их относительном движении. Если между телами отсутствует жидкая или газообразная прослойка (смазка), то такое трение называется сухим. В противном случае, трение называется «жидким». Характерной отличительной чертой сухого трения является наличие трения покоя.
Опытным путём установлено, что сила трения зависит от силы давления тел друг на друга (силы реакции опоры), от материалов трущихся поверхностей, от скорости относительного движения и не зависит от площади соприкосновения. (Это можно объяснить тем, что никакое тело не является абсолютно ровным. Поэтому истинная площадь соприкосновения гораздо меньше наблюдаемой. Кроме того, увеличивая площадь, мы уменьшаем удельное давление тел друг на друга.) Величина, характеризующая трущиеся поверхности, называется коэффициентом трения, и обозначается чаще всего латинской буквой «k» или греческой буквой «μ». Она зависит от природы и качества обработки трущихся поверхностей. Кроме того, коэффициент трения зависит от скорости. Впрочем, чаще всего эта зависимость выражена слабо, и если большая точность измерений не требуется, то «k» можно считать постоянным.
В первом приближении величина силы трения скольжения может быть рассчитана по формуле:
, где
— коэффициент трения скольжения,
— сила нормальной реакции опоры.
По физике взаимодействия трение принято разделять на:
- Сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками — 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 (смазки) 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 содержатся слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и т. д.) — наиболее распространённый случай при трении скольжения.
В связи со сложностью физико-химических процессов, протекающих в зоне фрикционного взаимодействия, процессы трения принципиально не поддаются описанию с помощью методов классической механики.
При механических процессах всегда происходит в большей или меньшей степени преобразование механического движения в другие формы движения материи (чаще всего в тепловую форму движения). В последнем случае взаимодействия между телами носят названия сил трения.
Опыты с движением различных соприкасающихся тел (твёрдых по твёрдым, твёрдых в жидкости или газе, жидких в газе и т. п.) с различным состоянием поверхностей соприкосновения показывают, что силы трения проявляются при относительном перемещении соприкасающихся тел и направлены против вектора относительной скорости тангенциально к поверхности соприкосновения. При этом всегда происходит нагревание взаимодействующих тел.
Силами трения называются тангенциальные взаимодействия между соприкасающимися телами, возникающие при их относительном перемещении. 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.
В реальных движениях всегда возникают силы трения большей или меньшей величины. Поэтому при составлении уравнений движения, строго говоря, мы должны в число действующих на тело сил всегда вводить силу трения F тр.
Тело движется равномерно и прямолинейно, когда внешняя сила уравновешивает возникающую при движении силу трения.
Для измерения силы трения, действующей на тело, достаточно измерить силу, которую необходимо приложить к телу, чтобы оно двигалось без ускорения.
Источник
