Страница 6 из 92
От чего зависит трение?
Ученые уже несколько столетий заняты изучением природы трения, но до сих пор не удалось найти исчерпывающий ответ на вопрос, что такое трение.
Знаменитый ученый эпохи Возрождения Леонардо да Винчи четыре с половиной века назад впервые задался целью установить влияние трения на движение тела. Он проделал такой опыт: взял бунт каната и стал передвигать его по полу. Затем бунт размотали и канат снова протащили по полу во всю его длину. Оказалось, что в обоих случаях понадобилась одинаковая тяга. Отсюда был сделан вывод, что сила сопротивления, возникшая между канатом и полом, не изменилась от того, что бунт размотали.
Леонардо да Винчи дал ответы на пять сформулированных им самим вопросов: зависит ли сила трения от величины площади соприкасающихся тел; от материала, из которого эти тела изготовлены; от величины нагрузки; от скорости скольжения; и, наконец, от степени гладкости (или шероховатости) поверхностей.
На эти вопросы Леонардо ответил так:
- от площади не зависит;
- от материала не зависит;
- от величины нагрузки зависит и ей пропорциональна;
- от скорости скольжения не зависит;
- от степени гладкости поверхности зависит.
На этой основе вывели такой закон: «Всякое трущееся тело оказывает сопротивление в том месте, где трется, четвертой частью своей тяжести».
Спустя двести лет французский ученый Амонтон вернулся к этим вопросам. На первые три вопроса он ответил так же, как великий итальянец, на четвертый и пятый дал противоположные ответы.
И после Амонтона ученые много раз принимались за исследование природы трения. Их ответы на вопросы Леонардо да Винчи были неодинаковыми. Особенно много споров вызвал вопрос о зависимости силы трения от величины площади трущихся поверхностей. Ответ Леонардо да Винчи на этот вопрос вызывал недоумение. Ведь трение возникает в каждой точке касания двух соприкасающихся поверхностей, и совершенно очевидно, что на большей поверхности должно оказаться больше точек касания и соответственно увеличится сила трения. Спор ученых имел важное значение. Найти правильные ответы на вопросы - значило научиться заранее исчислять величину силы сопротивления движению, возникающей из-за трения, иначе, определить коэффициент трения.
Между тем трение все более и более давало себя чувствовать. Человечество вступало в век машин, и трение становилось серьезной помехой в их использовании. Все машины и механизмы страдали одним и тем же недостатком: на приведение их в действие требовалось слишком много энергии. Было установлено, что лишь один процент энергии употребляется с пользой, а остальные девяносто девять процентов уходят на преодоление силы трения.
Понятно, почему вопрос, как бороться с трением, привлек к себе внимание крупнейших ученых мира.
Но прежде всего надо было установить, что такое трение. Уже упоминавшийся выше Амонтон дал такой ответ: при движении одного тела по другому оно как бы поднимается по большому количеству неровностей. Как бы хорошо ни была отполирована поверхность тела, на ней все же остаются неровности. Когда по этому телу движется другое тело, происходит столкновение неровностей. В таком же духе высказались и другие ученые того времени: Деляги, Кулон, Лесли.
Эти объяснения природы трения вошли в науку под названием механической теории. Она в общем правильно объясняла сухое трение.
Однако на практике очень редко можно наблюдать трение двух сухих тел. Например, машины всегда работают со смазкой. В этих случаях картина существенно меняется. Русский ученый Н. П. Петров установил зависимость силы трения от характера смазки (вязкости), толщины смазочного слоя, скорости вращения и других условий работы машины. Для определения в этих случаях силы трения Петров вывел математическую формулу. Формула Петрова и до сих пор служит для расчета силы трения в машинах.
Смазка значительно снижает потери энергии из-за трения, но все же и эти потери чрезвычайно велики.