Страница 113 — Глава 2. Взаимодействие тел. § 34. Трение в природе и…

Различают три вида трения. Трение покоя возникает, когда тело не движется относительно другого, хотя на него действует сила: гвоздь в стене, предмет на наклонной плоскости, груз на ленте транспортёра. Трение скольжения возникает, когда одно тело скользит по другому: санки по снегу, ящик по полу, коньки по льду, поршень в цилиндре. Трение качения возникает, когда тело катится по поверхности другого: колёса автомобиля и велосипеда, шарики в подшипнике, катки под тяжёлым предметом. Сила трения качения при прочих равных условиях меньше силы трения скольжения.

Трение полезно везде, где нужно удержать, остановить или заставить двигаться. Благодаря трению покоя мы держим предметы в руках и ходим, не проскальзывая; автомобиль трогается с места и тормозит; гвозди и шурупы держатся в стене; нитки в ткани не распускаются; узлы не развязываются. Чтобы увеличить трение, протектор шин делают рельефным, на зимние шины ставят металлические шипы, обледеневшие тротуары посыпают песком или гранитной крошкой, скрипачи натирают смычок канифолью, спортсмены используют магнезию. Органы хватания у растений и животных (усики, хобот слона, лапки ящериц) имеют шероховатую поверхность.

Трение вредно там, где оно мешает движению и разрушает детали. В двигателях и механизмах трение между валами, поршнями и цилиндрами вызывает нагрев и преждевременный износ деталей, а на его преодоление тратится лишнее топливо и электроэнергия. Трение заставляет изнашиваться подошвы обуви, шины, одежду, тормозные колодки. Тяжёлый шкаф или ящик трудно сдвигать по полу, лодка и самолёт тормозятся из-за трения о воду и воздух, лыжи плохо скользят по неподготовленной лыжне. Поэтому в машинах поверхности делают гладкими, применяют смазку и подшипники.

Примеры увеличения трения: зимой при гололёде я посыпал дорожку песком, чтобы не скользить; надевал обувь с рельефной подошвой; на велосипеде затягивал тормоз, чтобы колодки сильнее прижимались к ободу; натирал руки магнезией, чтобы не скользили на турнике. Примеры уменьшения трения: смазывал маслом цепь велосипеда и петли двери; натирал лыжи мазью или парафином, чтобы они лучше скользили; при перестановке мебели подкладывал под ножки тряпки или кусочки войлока, а тяжёлый шкаф перевозил на катках. Таким образом, увеличивают трение, делая поверхности шероховатыми или сильнее прижимая тела друг к другу, а уменьшают — сглаживая поверхности, используя смазку или заменяя скольжение качением.

Подшипники применяют для уменьшения трения вращающихся деталей (валов, осей, колёс). Вал опирается не непосредственно на корпус, а на подшипник, в котором трение скольжения заменено трением качения (шарики или ролики) либо уменьшено смазкой. Благодаря этому снижаются потери энергии, нагрев и износ деталей, вал вращается легче и дольше служит. Подшипники есть практически во всех механизмах с движущимися частями: в двигателях, колёсах автомобилей и велосипедов, электродвигателях, стиральных машинах.

Подшипник скольжения — это втулка (вкладыш) из твёрдого, износостойкого материала (стали, чугуна, бронзы, композитных материалов), внутри которой вращается вал. Поверхности вала и вкладыша скользят друг по другу, между ними вводят смазку; при износе заменяют сравнительно дешёвый вкладыш, сохраняя основную деталь. Шариковый подшипник качения состоит из внутреннего кольца (обоймы), насаженного на ось, внешнего кольца, закреплённого в корпусе машины, и шариков, расположенных между кольцами. Чтобы шарики при вращении не смещались и не терлись друг о друга, их помещают в сепаратор — специальное кольцо с окошками. При вращении шарики катятся по кольцам, поэтому вместо трения скольжения возникает значительно меньшее трение качения. В роликовых подшипниках вместо шариков используют ролики.

Результат такой беседы можно оформить в виде двух списков.
Трение необходимо увеличивать: между шинами и дорогой (рельефный протектор, зимой шипы) для сцепления при разгоне, поворотах и торможении; между тормозными колодками и барабанами или дисками (накладки из материалов с высоким трением); между дисками сцепления, передающими вращение от двигателя к коробке передач; в ремённой передаче (ремень генератора) и в резьбовых соединениях, чтобы гайки не откручивались; между подошвой водителя и педалью (резиновые накладки на педалях).
Трение необходимо уменьшать: между поршнями и стенками цилиндров, в подшипниках коленчатого вала и колёс, между шестернями коробки передач и в шарнирах подвески и рулевого управления (применяют моторное и трансмиссионное масла, консистентные смазки, подшипники качения); в замках, петлях дверей, тросиках; уменьшают сопротивление воздуха формой кузова.
Вывод: в одних узлах трение создаёт возможность движения и торможения, в других приводит к износу и потерям энергии, поэтому его увеличивают или уменьшают в зависимости от назначения детали.

Подошвы различаются рельефом и материалом, потому что условия использования обуви разные. У зимних ботинок подошва из мягкой морозостойкой резины с глубоким крупным протектором: при гололёде, снеге и льде выступы вдавливаются в поверхность, зацепляются за неё, а мягкий материал не дубеет на морозе и увеличивает силу трения покоя, поэтому нога не скользит. У кроссовок подошва упругая, с упорами и мелким рельефом: она обеспечивает хорошее сцепление при беге и прыжках на сухом покрытии и смягчает удар. У летних туфель подошва тонкая, часто гладкая или с небольшим рисунком, так как по сухому асфальту и полу сцепления достаточно, а лёгкость и гибкость важнее. Таким образом, рельеф и материал подбирают так, чтобы сила трения покоя между подошвой и поверхностью была достаточной для безопасной ходьбы в данных условиях.