Трение — это название силы, которая сопротивляется инициированию скользящего движения между двумя поверхностями; это все вокруг нас, и это происходит во всех масштабах длины. 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.
Возьмите этот 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.
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.
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, которое слабее статического трения, действует на объекты, когда они скользят по поверхности, например, когда лук музыканта натягивается на струнах скрипки.
Трение качения, которое 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.
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.
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 близких, 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. У гекконов есть подушечки для ног, которые состоят из миллионов крошечных ветвящихся волосков на конце, называемых щетинками (длиной 3-130 микрометров), распадающихся на еще более мелкие шпатели (около 200 нанометров по ширине и длине). Этот структурный дизайн создает высокие силы адгезии и трения между гекконом и поверхностью через силы молекулярного взаимодействия. Вот так гекконам удается карабкаться по вертикальным стенам или ходить вверх ногами по потолкам.
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 небо, коньки или шины.
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 коэффициентом трения при минус 100 C.