Скольжение

Скольжение — это физическое явление, заключающееся в относительном перемещении одного тела по поверхности другого при отсутствии вращения (качения) или при наличии проскальзывания в зоне контакта. В механике скольжение рассматривается как вид движения, при котором скорости точек контакта соприкасающихся тел не равны нулю относительно друг друга. Явление изучается в трибологии, физике твёрдого тела, механике сплошных сред и имеет ключевое значение в технике, биомеханике и спорте.

Физическая природа скольжения

Скольжение возникает в результате действия сил трения, которые противодействуют относительному движению соприкасающихся поверхностей. Основной характеристикой процесса является коэффициент трения скольжения — безразмерная величина, определяющая отношение силы трения к силе нормального давления.

Законы трения скольжения

Классические законы трения скольжения, сформулированные Гийомом Амонтоном и Шарлем-Огюстеном Кулоном, описывают основные закономерности:

1. Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормального давления.
2. Сила трения скольжения не зависит от площади соприкосновения поверхностей.
3. Сила трения скольжения не зависит от скорости относительного движения (при малых скоростях).
4. Коэффициент трения скольжения зависит от материалов и состояния поверхностей.

В реальных условиях эти законы выполняются лишь приближённо. Для большинства материалов наблюдается зависимость коэффициента трения от скорости, температуры, наличия смазки и загрязнений.

Различие между трением покоя и трением скольжения

Существует принципиальное различие между трением покоя (статическим трением) и трением скольжения (кинетическим трением). Коэффициент трения покоя обычно выше коэффициента трения скольжения, что объясняется необходимостью преодолеть межмолекулярные связи и зацепления микронеровностей поверхностей. Для начала скольжения требуется приложить силу, превышающую максимальную силу трения покоя.

Виды скольжения

В зависимости от условий и характера взаимодействия поверхностей выделяют несколько видов скольжения:

Сухое скольжение

Происходит при непосредственном контакте твёрдых поверхностей без смазки. Характеризуется высоким коэффициентом трения, интенсивным износом и выделением тепла. Применяется в тормозных системах, фрикционных передачах, спортивном инвентаре.

Граничное скольжение

Наблюдается при наличии тонкого слоя смазки (толщиной в несколько молекул), который не полностью разделяет поверхности. Коэффициент трения ниже, чем при сухом скольжении, но выше, чем при жидкостном. Характерен для механизмов при пуске и остановке.

Жидкостное (гидродинамическое) скольжение

Поверхности полностью разделены слоем жидкости или газа. Сопротивление движению определяется вязкостью смазочного материала. Коэффициент трения минимален. Реализуется в подшипниках скольжения, работающих в установившемся режиме.

Смешанное скольжение

Сочетает элементы сухого, граничного и жидкостного трения. Возникает при переменных нагрузках, скоростях или недостаточной смазке.

Применение скольжения в технике

Подшипники скольжения

Один из старейших и наиболее распространённых типов опор вращающихся валов. В подшипнике скольжения вал опирается на слой смазки, разделяющий его и корпус подшипника. Преимущества: высокая нагрузочная способность, бесшумность, устойчивость к ударным нагрузкам. Недостатки: необходимость постоянной смазки, повышенный износ при пуске и остановке, чувствительность к загрязнениям.

Тормозные системы

В автомобильных, железнодорожных и авиационных тормозах используется трение скольжения между тормозными колодками и дисками (или барабанами). Эффективность торможения зависит от коэффициента трения, который должен быть стабильным в широком диапазоне температур и скоростей.

Фрикционные передачи

Передача вращательного момента за счёт сил трения между соприкасающимися телами. Используются в вариаторах, муфтах сцепления, тормозах. Характеризуются возможностью плавного регулирования передаточного отношения, но ограничены по передаваемой мощности.

Направляющие скольжения

Применяются в станках, прессах, измерительных приборах для обеспечения точного прямолинейного движения. Материалы направляющих (чугун, сталь, бронза, полимеры) подбираются для минимизации износа и обеспечения высокой точности.

Скольжение в спорте

Конькобежный спорт и фигурное катание

Скольжение конька по льду — классический пример явления. Низкий коэффициент трения (0,01–0,03) обеспечивается образованием тонкой водяной плёнки под лезвием за счёт давления и тепла трения. В фигурном катании скольжение лежит в основе всех элементов: дуг, троек, перетяжек, спиралей.

Лыжный спорт

Скольжение лыж по снегу зависит от температуры, влажности, структуры снега и состояния лыжной мази. В беговых лыжах различают скольжение (фаза движения) и сцепление (фаза отталкивания). В горных лыжах скольжение кантами обеспечивает управление траекторией.

Санный спорт и бобслей

Скольжение полозьев по ледяной трассе — основа этих видов спорта. Минимальное трение достигается за счёт тщательной подготовки поверхности полозьев и льда.

Скейтбординг и роликовые коньки

Скольжение колёс по асфальту, бетону или специальным покрытиям. Подшипники скольжения (втулки) и качения обеспечивают движение. В скейтбординге существует специальный элемент — «скольжение» (слайд), при котором доска намеренно теряет сцепление с поверхностью.

Скольжение в биологии

Передвижение животных

Многие животные используют скольжение для передвижения: змеи (скольжение брюшными чешуями), улитки (слизистый след), некоторые рыбы (скольжение по дну). В биомеханике изучаются механизмы снижения трения в живых организмах.

Суставы человека

В суставах человека скольжение суставных поверхностей обеспечивается синовиальной жидкостью, выполняющей роль смазки. Коэффициент трения в здоровых суставах чрезвычайно мал (0,001–0,01), что превосходит лучшие технические подшипники.

Методы измерения и исследования

Трибометры

Приборы для измерения сил трения и коэффициента трения скольжения. Основные типы: машина трения с возвратно-поступательным движением, машина трения с вращательным движением (диск-колодка, шар-диск), машина трения с поступательным движением.

Методы оценки износа

Износ при скольжении оценивается по потере массы, изменению геометрии, микроструктурным изменениям поверхности. Используются профилометрия, микроскопия (оптическая, электронная), рентгеноструктурный анализ.

Интересные факты

• Коэффициент трения скольжения стали по льду (0,01–0,03) близок к коэффициенту трения в суставах человека.
• В сверхпроводниках при определённых условиях наблюдается «сверхскольжение» — движение без трения.
• В технике для снижения износа при скольжении применяют антифрикционные материалы: бронзу, баббит, полимеры (капрон, фторопласт).
• В автомобилестроении подшипники скольжения постепенно вытесняются подшипниками качения, но остаются незаменимыми в коленчатых валах двигателей внутреннего сгорания.
• В природе существует явление «скольжения по воде» — бег водомерок по поверхности воды, использующих поверхностное натяжение, а не трение скольжения.

Источники

• Крагельский И. В., Щедров В. С. Развитие науки о трении. — М.: Наука, 1965.
• Боуден Ф. П., Тейбор Д. Трение и смазка твёрдых тел. — М.: Машиностроение, 1968.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Том VII. Теория упругости. — М.: Наука, 1987.
• ГОСТ 27674-88. Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения.
• Виноградов В. Н., Сорокин Г. М. Механика контактного взаимодействия и изнашивания. — М.: Машиностроение, 1976.