Трение - это название силы, которая сопротивляется инициированию скользящего движения между двумя поверхностями. Проще говоря трение - это сила, которая замедляет ход событий. Это одна из причин, почему вы не можете иметь вечный двигатель, то есть движение, которое продолжается бесконечно без какого-либо внешнего источника энергии, пока есть какое-либо трение.
Что такое трение?
Возьмём повседневный пример: когда кофейная кружка лежит на плоском столе, кинетическая сила трения равна нулю. Нет силы, пытающейся переместить кружку через стол, поэтому нет необходимости в силе трения, потому что силе трения ничто не противостоит. Однако, если вы попытаетесь продвинуть кружку по столу, в силу вступит сила трения, которая будет сопротивляться толчку до тех пор, пока сила толкания не превысит силу трения.
Другими словами, чтобы привести неподвижный объект в движение, его статическое трение должно быть преодолено в первую очередь.
Если ваша кофейная кружка лежит на наклонной поверхности, например наклонной рампе, то сила трения, противодействующая гравитации, вначале предотвратит соскальзывание кружки вниз. Если рампа наклонена достаточно далеко, сила трения будет расти до такой степени, что кружка не сможет помешать скольжению.
Проще говоря: когда статическое трение преодолено, трение скольжения начинается и потребляет дополнительную энергию.
Прежде всего, чтобы создать движение, нужно преодолеть не трение скольжения, а статическое трение. Статическое трение обычно больше, чем трение скольжения, и является результатом атомной структуры контактных поверхностей, фиксирующихся на месте. Поверхности могут освободиться и двигаться друг против друга только после того, как приложенная сила достигнет адекватного уровня.
В научных терминах: трение между двумя поверхностями вызвано потерей энергии, поскольку атомы противоположных поверхностей сталкиваются друг с другом. При наличии силы притяжения или сцепления атомы находятся в тесном контакте, и большая часть энергии теряется, заставляя атомы скользить мимо друг друга.
Существует четыре типа трения: статическое, скользящее, качающееся и жидкостное. Последние три также сгруппированы под термином кинетическое трение. Первые три происходят между твердыми поверхностями, жидкостное трение происходит в жидкостях и газах.
Статическое трение действует на объекты, когда они лежат на поверхности, например, когда вы стоите на полу.
Трение скольжения, слабее статического трения, действует на объекты, когда они скользят по поверхности, например, когда смычок музыканта натягивается на струнах скрипки.
Трение качения, намного слабее, чем трение скольжения или статическое трение, действует на объекты, когда они катятся по поверхности (например, шины или шарикоподшипники).
Жидкое трение воздействует на объекты, которые движутся через жидкость, например на корабли в воде.
трение не является хорошим или плохим, но оно может быть слишком большим или слишком маленьким. Это зависит от обстоятельств, при которых это происходит. Статическое трение - в отличие от трения скольжения - часто является желательным явлением.
Вы определенно хотите много статического трения от тормозов или сцепления вашего автомобиля. Во многих других случаях это важно - если бы не было трения вообще, вы не могли бы разогнать свой автомобиль или велосипед, поскольку колеса просто вращались бы, не получая сцепления с дорогой. Статическое трение также позволяет нам безопасно захватывать объекты. Вы не могли бы писать, так как ручка соскользнула бы с бумаги в случае отсутствия сопротивления. Вы даже не могли бы держать ручку, так как она выскользнет из вашей руки, когда вы попытаетесь схватить ее.
Вместо того, чтобы пытаться уменьшить трение, мы также используем трение в наших интересах: на ледяных дорогах песок увеличивает трение и позволяет нам ходить более безопасно. В автомобильной промышленности тормозные колодки спроектированы для обеспечения высокой степени трения.
Трение в природе
В Природе не существует абсолютно свободной от трения среды: даже в глубоком космосе крошечные частицы могут взаимодействовать и вызывать трение. Процессы трения можно наблюдать во всех масштабах и измерениях.
Ученые и инженеры часто вдохновляются эффективностью и долговечностью природных систем и пытаются дублировать их для искусственных систем (область, называемая биомиметикой ).
Миллионы лет эволюции позволили Природе придумать довольно впечатляющие стратегии для уменьшения или увеличения трения в зависимости от требуемой функции. Многочисленные организмы разработали решения, обеспечивающие сверхнизкое трение в случае смазанных систем, сверхвысокий коэффициент трения в случае клеев, или в некоторых случаях даже контролируемые адаптируемые характеристики трения.
Мы говорим об адгезии, когда трение между двумя поверхностями настолько велико, что оно обеспечивает силу сцепления. Адгезия является общим термином для нескольких типов относительно коротких расстояний, сил притяжения, которые действуют между твердыми поверхностями, включая силу Ван-дер-Ваальса, электростатическую силу, химическую связь и капиллярную силу из-за конденсации воды на поверхности.
Адгезия в природных системах достигается разными способами, в основном в зависимости от эволюционных процессов, которые их создали.
Одним из известных примеров является адгезивный эффект геккона. Даже без секрета и клея сухие адгезивные системы Nature очень надежны, так как контакт разделяется на многочисленные очень мелкие фибриллярные элементы, создавая наночастицы поверхности. Гекконы, состоят из миллионов крошечных ветвящихся волосков на конце, называемых щетинками (длиной 3-130 микрометров), распадающихся на еще более мелкие (около 200 нанометров по ширине и длине). Этот структурный дизайн создает высокие силы адгезии и трения между гекконом и поверхностью через силы молекулярного взаимодействия.
Песчаная рыба Сахары ( Scincus scincus ) является отличным примером противоположного эффекта: у неё имеются нано-гребни вместе с нано-шипами на чешуях этой рептилии для уменьшения трения кожи. Это позволяет ей двигаться без усилий по рыхлому песку дюн.
Другие примеры, которые иллюстрируют конструкции трения Природы:
• Жук Notonecta glauca имеет поверхность, покрытую волосками высокой плотности, что позволяет ему удерживать воздушный слой под водой. Это позволяет этому насекомому быстро и быстро перемещаться по воде, уменьшая сопротивление на его поверхности.
• После дождя нарезанный лист растения кувшина становится почти без трения. Сладко пахнущий и элегантный, плотоядное животное привлекает муравьев, пауков и даже маленьких лягушек. Один за другим они скользят к своей гибели.
• Все виды рыб покрыты слизью, чтобы уменьшить сопротивление. Исследователи обнаружили, что секреция слизи может снизить сопротивление на 50–60%.
• Улитки разработали оригинальный способ использования слизи: в качестве клея (для прилипания к стенам), а также в качестве смазки (для передвижения).
• Sharkskin покрыт небольшими чешуйками (0,2-0,5 мм) с очень мелкими продольными выступами, которые также уменьшают гидродинамическое сопротивление (сопротивление является частным случаем трения на границе раздела жидкостей).
Интересные фрикционные характеристики сформировались и в небиологическом мире. Здесь контроль трения не является частью эволюции, но эти системы все еще обладают потенциально интересными свойствами с технической точки зрения.
Одним из ярких примеров является ледяное трение, которое, как известно, мало, как вы хорошо знаете, если вы когда-нибудь поскользнулись и упали на ледяную поверхность. Фундаментальные исследования трения льда имеют практическое применение для материалов, соприкасающихся со льдом, таких как коньки или шины.
Вопрос, почему лед скользкий, занимал ученых более столетия, пока исследователи не показали, что скользкость льда является следствием легкости, с которой самые верхние молекулы воды могут катиться по поверхности льда.
Ученые считают, что, хотя жидкая вода на поверхности льда действительно уменьшает трение скольжения на льду, эта жидкая вода плавится не под давлением, а за счет тепла трения, выделяющегося при скольжении. Интересно, что при понижении температуры ледяная поверхность трансформируется из чрезвычайно скользкой поверхности при типичных температурах зимних видов спорта (она наиболее скользкая при минус 7 ° C) в поверхность с высоким трением при минус 100 ° C.
