Тре́ние каче́ния — сопротивление движению, возникающее при перекатывании тел друг по другу т.е. сопротивление качению одного тела (катка) по поверхности другого. Причина трения качения — деформация катка и опорной поверхности, а также силы адгезии. Контактное напряжение в пятне приводит к упругому и/или пластическому деформированию тел, что влечёт микропроскальзывание поверхностей, пластическое течение в пятне контакта и вязкоупругий гистерезис. Как и адгезивное взаимодействие, все эти процессы термодинамически необратимы и ведут к потере энергии, т.е. вызывают сопротивление качению[1]. При этом обычно предполагается, что катящееся тело (колесо) не осуществляет тяговую или тормозную функцию (например, колесо локомотива, разгоняющего состав или заторможенное колесо вагона), так как при этом возникают дополнительные потери на трение в пятне контакта, вызванные не только нормальным контактным напряжением, а ещё и касательным, т.е. под трением качения понимается чистое трение качения.
Проявляется, например, между элементами подшипников качения, между автомобильной шиной колеса автомобиля и дорожным полотном. В большинстве случаев величина трения качения гораздо меньше величины трения скольжения при прочих равных условиях, и потому качение является распространенным видом движения в технике. Трение качения возникает на границе двух тел, и поэтому оно классифицируется как вид внешнего трения.
Трение качения играет огромную роль в современной технике. Оно возникает при вращении колёс и других вращающихся деталей, которые есть почти во всех станках и транспортных машинах. Замена трения скольжения на трение качения путём изобретения колеса было величайшим событием в истории цивилизации[2].
Пусть на тело вращения, располагающееся на опоре, действуют
Если векторная сумма этих сил равна нулю
то ось симметрии тела движется равномерно и прямолинейно или остаётся неподвижной (см. рис. 1). Вектор определяет силу трения качения, противодействующую движению. Это означает, что прижимающая сила уравновешивается вертикальной составляющей реакции опоры, а внешняя сила уравновешивается горизонтальной составляющей реакции опоры.
Равномерное качение означает также, что сумма моментов сил относительно произвольной точки равна нулю. Из равновесия относительно оси вращения моментов сил, изображённых на рис. 2 и 3, следует:
откуда
где
Эта зависимость подтверждается экспериментально. Для малой скорости качения сила трения качения не зависит от величины этой скорости. Когда скорость качения достигает значений, сопоставимых со значениями скорости деформации в материале опоры, трение качения резко возрастает и даже может превысить трение скольжения при аналогичных условиях.
Определим для подвижного цилиндра момент, тормозящий вращательное движение тела. Рассматривая данный момент относительно оси вращающегося колеса (например, колеса автомобиля), находим, что он равен произведению тормозного усилия на оси на радиус колеса. Относительно точки контакта движущегося тела с землей момент будет равен произведению внешней силы, уравновешивающей силу трения, на радиус колеса (рис. 2):
С другой стороны, момент трения равен моменту прижимающей силы на плечо, длина которого равна коэффициенту трения качения f:
где
Из выписанного выше уравнения следует, что коэффициент трения качения может быть определен как отношение момента трения качения к прижимной силе N:
Графическая интерпретация коэффициента трения качения f дана на рисунке 3 и 4.
Коэффициент трения качения имеет следующие физические интерпретации:
Катящееся тело | Подстилающая поверхность | Коэффициент трения в мм |
---|---|---|
мягкое дерево | мягкое дерево | 1,5 |
мягкое дерево | сталь | 0,8 |
твердое дерево | твердое дерево | 0,8 |
эбонит | бетон | 10—20 |
эбонит | сталь | 7,7 |
резина | бетон | 15—35 |
закалённая сталь | закалённая сталь | 0,01 |
полимер | сталь | 2 |
сталь | асфальт | 6 |
сталь | тротуарная плитка | 1,5 |
сталь | сталь | 0,5 |
железо | мягкое дерево | 5,6 |
железо | гранит | 2,1 |
железо | железо | 0,51 |
чугунное литьё | чугунное литьё | 0,8 |
Ориентировочные значения сопротивления трения качения для автомобильной пневматической шины и различных типов дорожного покрытия.[источник не указан 51 день]
Дорожное покрытие и его состояние | Коэффициент сопротивления качению |
Асфальтобетонное в отличном состоянии | 0,015-0,018 |
То же в удовлетворительном состоянии | 0,018-0,020 |
Гравийное покрытие | 0,02-0,025 |
Булыжник | 0,035-0,045 |
Грунтовая дорога, сухая | 0,03-0,035 |
То же после дождя | 0,05-0,10 |
Песок сухой | 0,15-0,30 |
То же влажный | 0,08-0,10 |
Снежная дорога | 0,025-0,03 |
Лед | 0,018-0,02 |
Данная страница на сайте WikiSort.ru содержит текст со страницы сайта "Википедия".
Если Вы хотите её отредактировать, то можете сделать это на странице редактирования в Википедии.
Если сделанные Вами правки не будут кем-нибудь удалены, то через несколько дней они появятся на сайте WikiSort.ru .