Внутреннее трение¶

Внутреннее трение — совокупность явлений диссипации механической энергии, возникающих внутри деформируемого твёрдого тела, жидкости или газа при их относительном перемещении слоёв, а также при циклическом (периодическом) нагружении материалов. В отличие от внешнего (поверхностного) трения, внутреннее трение проявляется не на границе контакта двух тел, а в объёме самого вещества, преобразуя кинетическую энергию движения в теплоту.

¶Физическая природа

Причина внутреннего трения — необратимый перенос импульса между хаотически движущимися частицами среды (молекулами, атомами, дислокациями). В жидкостях и газах механизм связан с переносом импульса при тепловом движении молекул: более быстрые слои увлекают соседние, что описывается законом Ньютона для вязкости. В твёрдых телах внутреннее трение обусловлено дефектами кристаллической решётки, движением дислокаций, релаксационными процессами на границах зёрен и теплопроводностью. При циклических нагрузках часть упругой энергии деформации не возвращается, а рассеивается в виде тепла — это явление называют механическим гистерезисом.

¶Количественные характеристики

Основной параметр внутреннего трения в жидкостях и газах — динамическая вязкость (μ), измеряемая в паскаль-секундах (Па·с). Для твёрдых тел вводят безразмерный логарифмический декремент колебаний (δ), показывающий скорость затухания свободных колебаний, и обратную величину добротности (Q⁻¹). Связь между ними: δ = π/Q. Для большинства конструкционных металлов при комнатной температуре Q⁻¹ составляет 10⁻⁴–10⁻³, для резин и полимеров — 10⁻¹–10⁻².

¶Зависимость от факторов

Внутреннее трение существенно зависит от температуры. В металлах с ростом температуры оно обычно возрастает из-за активации диффузионных процессов. В полимерах наблюдается пик внутреннего трения при температуре стеклования. Амплитуда деформации также влияет: при малых амплитудах трение слабо зависит от неё, при больших — резко растёт из-за движения дислокаций. Частота нагружения определяет, какие релаксационные процессы успевают «включиться»: при высоких частотах внутреннее трение может снижаться.

¶Значение в технике

Внутреннее трение играет двоякую роль. С одной стороны, оно нежелательно: вызывает нагрев деталей машин, потери энергии в упругих элементах, снижает точность вибрационных датчиков. С другой — на нём основано демпфирование колебаний: гасители вибраций, сейсмостойкие опоры зданий, подвески автомобилей используют материалы с высоким внутренним трением (резина, специальные сплавы). В музыке внутреннее трение определяет тембр и длительность звучания инструментов: колокола и струны изготавливают из материалов с низким трением, чтобы звук был долгим.

¶Методы измерения

Для жидкостей применяют капиллярные вискозиметры, ротационные вискозиметры. Для твёрдых тел — метод затухающих крутильных колебаний (крутильный маятник), метод резонансной пилы (изменение резонансной частоты и ширины пика), ультразвуковой метод. В геофизике внутреннее трение горных пород оценивают по затуханию сейсмических волн, что позволяет судить о строении земной коры и мантии.

¶Внутреннее трение в различных средах

В жидкостях внутреннее трение определяет скорость течения в трубах, осаждение частиц, смазочные свойства масел. В газах оно влияет на аэродинамическое сопротивление летательных аппаратов. В твёрдых телах — на усталостную прочность, способность поглощать ударные нагрузки. Особое значение имеет внутреннее трение в мантии Земли: оно вызывает замедление вращения планеты и влияет на движение литосферных плит.