Ce poate nanotehnologia (Bogdanov la

Fricțiune sub microscop

Cu frecare ne întâlnim la fiecare pas, dar fără fricțiune nu am fi făcut un pas. Este imposibil să vă imaginați o lume fără fricțiune. În lipsa fricțiunii, multe mișcări pe termen scurt ar continua pe termen nelimitat. Pământul s-ar agita de cutremurele continue, deoarece plăcile tectonice s-au ciocnit în mod constant unul cu celălalt. Toți ghețarii s-ar rula imediat din munți, iar pe suprafața pământului praful s-ar fi grăbit de vântul de anul trecut. Cât de bine este că încă există o forță de frecare în lume!

Pe de altă parte, frecarea dintre piesele mașinii duce la uzură și costuri suplimentare. Estimările aproximative arată că cercetarea științifică în tribologie - știința de frecare - ar putea economisi aproximativ 2 până la 10% din produsul brut național.

Cele două importante invenții ale omului - roata și dobândirea focului - sunt asociate cu forța de frecare. Invenția roții a făcut posibilă reducerea semnificativă a forței care împiedica mișcarea, iar producția de foc a plasat forța de frecare în slujba omului. Cu toate acestea, până acum oamenii de știință sunt departe de a înțelege complet principiile fizice ale forței de fricțiune. Și nu pentru că oamenii au încetat de ceva timp să fie interesați de acest fenomen.

Prima formulare aparține legilor mare de frecare Leonardo (1519), care a susținut că forța de frecare care apare atunci când organismul este în contact cu o altă suprafață a corpului este proporțională cu forța de presare este îndreptat împotriva direcției de mișcare și care nu depinde de zona de contact. Această lege a fost redeschisă 180 de ani mai târziu de G. Amonton și apoi rafinată în lucrările lui S. Coulomb (1781). pandantiv Amontons și a introdus conceptul de coeficient de frecare ca relația forță de frecare la sarcină, dându-i o valoare a constantelor fizice, determină pe deplin forța de frecare pentru orice pereche de materialele care conțin. Până acum, este această formulă

unde Fp este forța de frecare, N este componenta forței de presare normale față de suprafața de contact, și # 956; - coeficientul de frecare, este singura formulă care poate fi găsită în manualele școlare privind fizica (vezi Figura 29).

Figura 29. Formularea legii clasice a fricțiunii.

Timp de două secole, legea dovedită experimental (1) nimeni nu putea să respingă și până acum suna acum 200 de ani:

Forța de frecare este direct proporțională cu componenta normală a forței care comprimă suprafețele corpurilor de alunecare și acționează întotdeauna în direcția opusă direcției de mișcare.

• Forța de frecare nu depinde de dimensiunea suprafeței de contact.

Forța de frecare nu depinde de viteza de alunecare.

· Forța de fricțiune de repaus este întotdeauna mai mare decât forța de frecare alunecătoare.

· Forțele de fricțiune depind numai de două materiale care se aliniază una peste cealaltă.

Deja în secolul al XIX-lea a devenit clar faptul că legea Amonton-Coulomb (1) nu descrie întotdeauna corect forța de frecare, iar coeficienții de frecare nu sunt în nici un caz caracteristici universale. Mai întâi de toate, sa observat că coeficienții de frecare depind nu numai de materialele care sunt în contact, ci și de modul în care suprafețele de contact sunt tratate fără probleme. Sa constatat, de exemplu, că coeficienții de frecare într-un vid sunt întotdeauna mai mari decât în ​​condiții normale (vezi tabelul de mai jos).

Desigur, este posibil să urmați o altă cale și, studiind frecarea cuprului cu cuprul, să măsurați forțele în timpul mișcării suprafețelor ideale lustruite și degazate într-un vid. Dar atunci două astfel de bucăți de cupru se lipesc pur și simplu, iar coeficientul de fricțiune de odihnă va începe să crească odată cu trecerea de la începutul contactului suprafețelor. Din aceleași motive, coeficientul de frecare alunecător va depinde de viteză (crește odată cu scăderea acestuia). Prin urmare, este imposibil de a determina tocmai forța de frecare a metalelor pure.

Cu toate acestea, pentru suprafețele standard uscate, legea clasică a fricțiunii este aproape exactă, deși motivul pentru acest tip de lege a rămas neclar până la foarte recent. La urma urmei, nimeni nu poate estima teoretic coeficientul de frecare dintre două suprafețe.

Dificultatea de a studia fricțiunea constă în faptul că locul în care are loc acest proces este ascuns de cercetător din toate părțile. În ciuda acestui fapt, oamenii de știință au concluzionat mult timp că forța de frecare se datorează faptului că, la nivel microscopic (adică dacă este văzut într-un microscop), suprafețele de contact sunt foarte dure chiar dacă au fost lustruite. Prin urmare, alunecarea a două suprafețe una pe cealaltă seamănă cu un caz fantastic, atunci când munții inversați din Caucaz se freacă, de exemplu, de Himalaya (figura 30).

Figura 30. Reprezentarea schematică a zonei de contact a suprafețelor de alunecare pentru forța de compresiune mică (sus) și mare (de fund).

Considerat anterior că mecanismul de frecare este simplu: suprafața este acoperită de nereguli, iar fricțiunea este rezultatul ciclurilor consecutive de "ridicare-coborâre" a pieselor alunecoase. Dar acest lucru este greșit, pentru că atunci nu ar exista nici o pierdere de energie, și atunci când frecarea de energie este consumat.

Următorul model de fricțiune poate fi considerat mai aproape de realitate. Când suprafețele de frecare de alunecare ale neuniformitate în contact și punctele de contact ale atomilor opuse sunt atrași unul de altul, cum ar fi, „angaja“. Perfecționate mișcarea relativă a corpurilor acestor conectori sunt rupte, și există fluctuații de atomi, cum ar fi cele care apar la eliberarea arcului de tensionare. De-a lungul timpului, aceste fluctuații se estompează și energia lor se transformă în căldură, răspândindu-se peste ambele corpuri. În cazul corpurilor moi de alunecare pot, de asemenea, distrugerea asperităților, așa-numitul „gouging“, în acest caz, energia mecanică este cheltuită pentru distrugerea legăturilor intermoleculare sau interatomice.

Astfel, dacă vrem să studiem frecarea trebuie să gestioneze pentru a muta un bob de nisip, constând din câțiva atomi de-a lungul suprafeței la o distanță foarte mică de ea, în timp ce măsurarea forțelor care acționează asupra bobului de nisip de la suprafață. Acest lucru a devenit posibil numai după inventarea microscopiei forței atomice. Crearea unui microscop de forta atomica (AFM), capacitatea de a simți forța de atracție și repulsie apar între atomii individuali, a făcut posibilă, în cele din urmă, să „simtă“ ceea ce este forța de frecare, deschiderea unui nou domeniu al științei de frecare - nanotribology.

Astfel, forța de frecare alunecătoare a microprobei depinde de suprafața contactului cu suprafața, care contrazice legea clasică de frecare. De asemenea, s-a dovedit că forța de frecare a alunecării nu devine zero, în absența unei forțe care apasă microproba la suprafață. Da, acest lucru este de înțeles, pentru că atomii de microprobe înconjurători ai suprafeței sunt atât de aproape încât îi atrag, chiar și în absența unei forțe de compresie exterioare. Prin urmare, prezumția de bază a legii clasice - dependența proporțională directă a forței de fricțiune de forța compresiei - nu este de asemenea observată în nanotribologie.

Cu toate acestea, toate aceste discrepanțe între datele din legea clasică (1) și nanotribologia obținute cu ajutorul AFM sunt ușor de eliminat. Când forța care presează corpul culisant crește, numărul de microcontacte crește, ceea ce înseamnă că forța de frecare totală alunecă, de asemenea, să crească. Prin urmare, nu există nicio contradicție între datele oamenilor de știință și legea veche.

Pentru o lungă perioadă de timp, sa presupus că forțând corpul cuiva să alunece pe de altă parte, suntem de rupere mici neomogenitatea a corpului, care se agață de eterogenitatea suprafeței altuia, și să rupă aceste neomogenitati, și este nevoie de forța de frecare. Prin urmare, prezentarea vechi este adesea asociat cu apariția suprafețelor de frecare forte de frecare daune microproiecției, așa-numitele lor de uzură. Studii Nanotribological folosind AFM si alte tehnici moderne au arătat că forța de frecare dintre suprafețele pot fi chiar și în cazurile în care acestea nu sunt deteriorate. Cauza acestei forțe de frecare este legătura dintre atomii de frecare și ruperea constantă.

Realizat de uCoz

Articole similare

• Crows poate identifica cu ușurință un trădător și nu are încredere în el

• Noul adăpost al opoziției asupra "baricadei" poate deveni un festival

Trimiteți-le prietenilor: