friktion

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning

Friktion , også kendt som friktion eller friktionsmodstand , er en kraft, der virker mellem legemer eller partikler, der er i kontakt med hinanden. Friktionskraften gør det derefter svært for ligene at bevæge sig mod hinanden. Det kræver arbejde at skabe eller opretholde bevægelse. Hvis der opstår friktion under bevægelse, omdannes en del af arbejdet eller kinetisk energi til friktionsvarme gennem spredning og / eller bruges til slitage .

Når man overvejer friktionsprocesser, skelnes der mellem ekstern friktion og intern friktion . Ekstern friktion opstår, når der er friktion mellem kontakt med ydre overflader af faste stoffer. Intern friktion opstår mellem nabopartikler under deformationsprocesser inden for faste stoffer, væsker og gasser. I fysiske modeller negligeres friktionskræfter ofte, hvis de er relativt små og / eller vanskelige at kvantificere. Tribologi (friktionsteori) omhandler den videnskabelige undersøgelse af friktionsprocesser.

Typer af friktion

Ekstern friktion

Vægt og normal kraft af en kasse på en flad overflade

Ekstern friktion er også kendt som fast kropsfriktion, fordi den opstår mellem kontaktfladerne på berørende faste legemer. Det er opdelt i statisk friktion og dynamisk friktion , som begge også er kendt som Coulomb -friktion til ære for fysikeren Charles Augustin de Coulomb . De fremstår ikke altid strengt adskilte fra hinanden. De kan forekomme samtidigt eller skiftevis; for eksempel er stick-slip-effekten en periodisk overgang mellem statisk og dynamisk friktion. Betingelser relateret til ansøgningen er rullende friktion , borefriksion og rebfriktion .

Den maksimale friktionskraft ved stikning og friktionskraften ved glidning tage med normal kraft til, hvormed kroppen presser vinkelret på basen eller omvendt basen vinkelret på kroppen. Hvor den normale kraft kommer fra, om z. B. udelukkende på vægt, gennem fjedre (kobling), hydraulisk tryk ( skivebremse ), kurvetrykket i overdrevne kurver eller andre processer, er uden betydning her. Ofte er afhængigheden omtrent lineær, og friktionskraften er uafhængig af størrelsen af ​​kontaktområdet (se Amontons love ):

.

Friktionskoefficienterne µ afhænger af overfladernes beskaffenhed. Koefficienten til at klæbe ( ) er dybest set større end for glidning ( ). Deres værdier bestemmes eksperimentelt. Uligheden kommer af, at en friktionskraft aldrig kan kollidere.

Statisk friktion

I mange tilfælde er tilslutning mellem organer i kontakt ønskelig. Hverdagen ville slet ikke fungere uden statisk friktion. Møbler ville ikke blive på plads, køretøjer parkeret på gaden (hjulene blokerede) kunne bevæges alene af vinden. Du kunne ikke sætte din fod "fast" på jorden, alle drevne køretøjshjul ville "snurre", så ingen trækkraft ville være mulig. I tekniske anvendelser, ud over den vægtkraften der normalt virker, anvendes en teknisk genererede tryk mellem kontaktfladerne, for eksempel ved hjælp af spændte fjedre i en friktion kobling .

Sticking er en hviletilstand, hvor den faktiske statiske friktionskraft altid er modsat den eksterne komponents parallelle komponent. Der er hverken slid eller energitab. Adhæsion er en kombination af formtilpasning i lille skala, gennem ruhed som en 3. til 5. ordens afvigelse i form , som ville blive ødelagt ved bevægelse, og molekylær friktionsforbindelse i lille skala gennem molekylære tiltrækningskræfter, dvs. vedhæftning .

Glidende friktion

Glidende friktion forekommer på kontaktfladerne mellem legemer, der bevæger sig i forhold til hinanden. Den glidende friktionskraft er normalt mindre end den statiske friktionskraft med den samme normale kraft. Ifølge Amontons og Coulombs love er det uafhængigt af hastigheden. Med nogle materialekombinationer sker krybning , så friktionskraften bliver hastighedsafhængig.

Fig. 1, 2 Statisk friktion : Den ydre kraft F og den statiske friktionskraft F H er ens → Kroppen bevæger sig ikke.
Fig. 3 Statisk friktion : som i fig. 1, men her nås den maksimale statiske friktionskraft F H, crit . Da den ydre kraft er større end vedhæftningsgrænsen, accelereres kroppen.
Fig. 4 Glidende friktion : kroppen glider med konstant hastighed, den ydre kraft er mindre end F H, krit . Den ydre kraft F er den samme som den glidende friktionskraft F R.
Kun kræfterne i bevægelsesretningen er vist.

Rullende friktion

Rullende friktion opstår, når et legeme ruller på en overflade. I modellen kan rullende friktion forklares ved deformation af et legeme, der ikke ideelt er stift . Rullefriktionen beskrives ved den dimensionsløse koefficient for rullende friktion. Dette er defineret som forholdet mellem rullende friktionslængde og radius af det rullende element:

Rullende friktion

Hvis glidende og rullende friktion overlejres, betegnes dette som rullende friktion [1] . Dette er den typiske beskrivelsesmodel for revolutionslegemer på et spor, for eksempel et hjul på en kørebane.

Boring friktion

Boringfriktion forekommer på understøtningspunktet for et legeme, der roterer omkring den lodrette akse på et plan. Da borefriktionen virker under en roterende bevægelse, er borefriktionen givet som et moment : [2]

Friktionskoefficienten har dimensionen af ​​en længde og kan tolkes som radius af den tilsyneladende understøtningsskive, dvs. som den resulterende håndtag for områdets øjeblikke. Generelt kan det imidlertid ikke beregnes som et produkt af en konstant middelradius af understøtningsfladen og en materialekonstant. [3]

Rebfriktion

Euler-Eytelwein-formlen beskriver friktionen af ​​et reb, der er viklet omkring et rundt legeme, på hvilket kræfter virker på begge sider, og angiver de forhold, under hvilke tovet klæber.

Intern friktion

Intern friktion forårsager viskositeten af materialer og væsker og påvirker deformationer og strømninger. Ud over bevægelsen af ​​partikler i et stof beskriver intern friktion også friktionsmodstanden for legemer, der bevæger sig i væsker, og dæmpningen af ​​lydbølger. Typisk øges intern friktion (viskositet) med temperaturen i gasser og falder i væsker. I enkle tilfælde er en kvantitativ beskrivelse mulig ved hjælp af statistisk fysik .

Ved temperaturer tæt på nul mister nogle væsker deres indre friktion fuldstændigt (se superfluiditet ).

I modsætning til mekanik, hvor friktion negligeres så længe som muligt, er intern friktion fast indeholdt i standardteorien om hydrodynamik , Navier-Stokes ligninger (deraf Stokes friktion ). Disse ikke-lineære ligninger kan generelt kun løses numerisk. I tilfælde af et lille Reynolds -tal Re, dvs. hvis advarslen mellem momentum og momentumtransport gennem viskositet kan negligeres, er der lukkede løsninger til simple geometrier og newtonske væsker :

Dette gælder f.eks. Et tyndt lag smøremiddel mellem overflader, der bevæger sig mod hinanden. Friktionen er derefter proportional med forskydningshastigheden , dvs. hastigheden . De samme betingelser gælder for tilfælde af en lille kugle i et tyktflydende væske, se Stokes lov . Med dominerende impulsadvektion er dissipationen på den anden side proportional med kvadratet af hastigheden, se strømningsmodstand .

Den plastiske deformation af faste stoffer er normalt stærkt ikke-lineær og kan derfor ikke let beskrives ved viskositet. Selv med mindre kræfter eller spændinger er der afvigelser fra den ideelle elasticitet som en anden form for indre friktion i det faste stof, som dog ikke blot kan forstås som viskositet. Tilsvarende er ligningen af ​​indre friktion og viskositet begrænset til væsker.

Energi og friktion

Ifølge loven om bevarelse af energi går ingen energi tabt ved friktion. Dette gælder også, når energi forsvinder fra et system, der overvejes, fordi det er blevet omdannet til termisk energi med en stigning i entropi . En glidende hockeypuck går i stå, fordi friktion omdanner sin kinetiske energi til varme, hvilket øger pukkens termiske energi og isens overflade. Da denne varme hurtigt forsvinder , med forbehold for tidlige filosoffer, herunder Aristoteles , den fejlslutning, at bevægelige objekter uden at miste påvirker en drivkraftenergi. [4]

Når et objekt er langs en sti forskydes på en overflade, beregnes friktionsarbejdet fra produktets vej og den kraft, der virker langs stien, i henhold til definitionen af ​​arbejde. [5] Hvis kraften eller friktionskoefficienten ikke er konstant over stien, skal der anvendes en kurveintegral .

Under forudsætning af fuldstændig omdannelse til termisk energi gælder følgende

hvori

friktionskraften,
den normale kraft ,
glidende friktionskoefficient (inden for integralen, da den kan variere fra sted til sted, f.eks. på grund af materielle ændringer langs stien),
repræsenterer objektets position.

Den energi, der går tabt fra et system gennem friktion, er et klassisk eksempel på termodynamisk irreversibilitet .

Friktionsbetingelser inden for smøringsteknologi

Optimeringen af ​​friktionsprocesser er genstand for tribologi .

I tilfælde af fast kropsfriktion rører overfladerne, der glider på hinanden, hinanden. I processen jævnes hævede overflader (slid eller slid ). Hvis materialeparringen er ugunstig, og overfladetrykket er højt, svejses overfladerne sammen ( vedhæftning ). Fast friktion opstår f.eks. Ved brug af tørre smøremidler ( grafit , teflon ), hvis der ikke bruges noget smøremiddel, eller hvis smørelsen mislykkes. Denne friktionstilstand kaldes derfor også tør friktion og kan reduceres betydeligt ved hjælp af lineære kuglelejer . Næsten friktionsløse bevægelser kan opnås gennem et aerostatisk leje ( luftleje ).

Blandet friktion kan forekomme ved utilstrækkelig smøring eller i begyndelsen af ​​bevægelsen af ​​to friktionspartnere med smøring. Glidefladerne rører hinanden på bestemte punkter. Friktionskraften i det blandede friktionsområde er hastighedsafhængig og kan observeres på glidelejer . Friktionskraften / drejningsmomentet falder med stigende glidehastighed, indtil ren væskefriktion opstår og adskiller friktionsoverfladerne. Når glidehastigheden fortsætter med at stige, stiger friktionskraften / drejningsmomentet igen. I området med blandet friktion falder sliddet på samme måde med friktionsmomentet, indtil glidehastigheden har nået den næsten slidfrie væskefriktion. Blandet friktion er derfor altid uønsket ved kontinuerlig drift, men er undertiden uundgåelig, eller dens undgåelse er så kompleks, at omkostninger til slidreparationer accepteres.

Væskefriktion opstår, når der dannes en permanent smørefilm mellem glidefladerne. Typiske smøremidler er olier, vand, men også gasser (se luftlejer ). Glidefladerne er fuldstændigt adskilt fra hinanden. Den resulterende friktion er baseret på det faktum, at smøremiddelmolekylerne glider på hinanden. For at sikre, at disse forskydningskræfter kun fører til en acceptabel temperaturstigning i smøremidlet, skal den genererede varme spredes på en passende måde. Væskefriktion er den ønskede friktionstilstand i lejer og guider, når holdbarhed, høj glidehastighed og høj lastkapacitet er påkrævet. Et vigtigt eksempel er trykoliesmøring af lejeskallerne mellem krumtapakslen og forbindelsesstangen i bilmotoren ( hydrodynamisk glideleje ).

Overgangen fra blandet friktion til væskefriktion repræsenteres af Stribeck -kurven , minimum af friktionskraft / drejningsmoment i kurven markerer overgangen til ren væskefriktion.

Eksempler på friktionsprocesser

Se også

litteratur

  • Gerd Fleischer (red.): Grundlæggende om friktion og slid . Tysk forlag for grundindustrien, Leipzig 1983.
  • Bo Persson: Glidende friktion. Fysiske principper og applikationer . Springer, 2002, ISBN 3-540-67192-7 .
  • Ernest Rabinowicz: Friktion og slid på materialer . Wiley-Interscience, 1995, ISBN 0-471-83084-4 .
  • Frank Philip Bowden, David Tabor: Friktion og smøring af faste stoffer . Oxford University Press, 2001, ISBN 0-19-850777-1 .
  • Valentin L. Popov: Kontaktmekanik og friktion. En tekst- og applikationsbog fra nanotribologi til numerisk simulering . Springer-Verlag, 2009, ISBN 978-3-540-88836-9 .

Weblinks

Wiktionary: Friktion - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser
Wiktionary: Friktion - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser

Individuelle beviser

  1. ^ Karl Sommer, Rudolf Heinz, Jörg Schöfer: Slid på metalliske materialer . 1. udgave. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8351-0126-5 , s.   10 ( fuld tekst i Google Bogsøgning).
  2. ^ Klaus Lüders, Gebhard von Oppen: Klassisk fysik - mekanik og varme . I: Bergmann-Schaefer lærebog om eksperimentel fysik . tape   1. Walter de Gruyter, 2012, ISBN 3-11-022668-5 , s.   241 ( begrænset forhåndsvisning i Google Bogsøgning).
  3. Georg Hamel: Elementary Mechanics . BG Teubner, 1922, ISBN 5-87621-066-8 , s.   232 ( begrænset eksempel i Google Bogsøgning).
  4. Vejen til det fysiske magtbegreb fra Aristoteles til Newton. University of Regensburg, Fysisk fakultet, Arbejdsgruppens fysikdidaktik PDF .
  5. Fysik i oversigter. Mennesker og viden, Berlin 1972, s. 74.
  6. ^ Alexander P. Hardt: Pyrotechnics , Pyrotechnica Publications, Post Falls Idaho USA 2001, ISBN 0-929388-06-2 , s. 74 ff.