НА ГЛАВНУЮТЕКСТЫ КНИГ БКАУДИОКНИГИ БКПОЛИТ-ИНФОСОВЕТСКИЕ УЧЕБНИКИЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКАФОТО-ПИТЕРНАСТРОИ СЫТИНАРАДИОСПЕКТАКЛИКНИЖНАЯ ИЛЛЮСТРАЦИЯ

Библиотечка «За страницами учебника»

Трение и мы (серия «Квант» №57). Силин А. А. — 1987 г.

Библиотечка «Квант» №57
Аскольд Александрович Силин

Трение и мы

*** 1987 ***



DjVu

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 3
Глава 1. ТАИНСТВЕННЫЙ ЗНАКОМЕЦ 5
Глава 2. ЭСТАФЕТА ТИТАНОВ 11
Глава 3. ОТКУДА ЖЕ БЕРЕТСЯ ТЕПЛОТА? 23
Глава 4. ПОЧЕМУ МЫ ХОДИМ? 30
Глава 5. ТРЕНИЕ СКОЛЬЖЕНИЯ 37
Глава 6. ДА ЗДРАВСТВУЕТ КОЛЕСО! 44
Глава 7. ЗАГАДКА ТРЕНИЯ КАЧЕНИЯ 53
Глава 8. НОВАЯ ПРОФЕССИЯ КОЛЕСА 60
Глава 9. ПЕРПЕТУУМ МОБИЛЕ ВОЗМОЖЕН?! 67
Глава 10. НА ТРЕНИЕ РАБОТАЕТ ЖИДКОСТЬ! 75
Глава 11. ТРЕНИЕ ПОЛЕЗНО! 82
Глава 12. А МАШИНАМ ВСЕ ТЯЖЕЛЕЕ 91
Глава 13. ТРИ БОГАТЫРЯ 98
Глава 14. ТРЕНИЕ ИСЧЕЗЛО! 105
Глава 15. КОГДА МАШИНАМ ЖАРКО 113
Глава 16. ЧУДЕСА «ХОЛОДНОГО» ТРЕНИЯ 120
Глава 17. МЫ НА ЛУНЕ! 128
Глава 18. МАТЕРИАЛ - КЕНТАВР 136
Глава 19. В ЦАРСТВЕ НЕПТУНА И ПЛУТОНА 143
Глава 20. ВОДЕ И ВЕТРУ НАВСТРЕЧУ 151
Глава 21. РАСПЛАТА ЗА СКОРОСТЬ 163
Глава 22. ТРЕНИЕ, СПОРТ И... ИСКУССТВО 175
Глава 23. ПОДСКАЗКИ БИОНИКИ 180
Глава 24. ЧТО ЖЕ НАС ЖДЕТ В БУДУЩЕМ? 186

PEKЛAMA Заказать почтой 500 советских радиоспектаклей на 9-ти DVD. Подробности...

Выставлен на продажу домен
mp3-kniga.ru
Обращаться: r01.ru
(аукцион доменов)



 


      ПРЕДИСЛОВИЕ
      Герой очередного выпуска «Библиотечки «Квант» — широко распространенное и необычайно разнообразное по своей природе физическое явление, известное в естествознании и технике под общим названием — трение. Сразу же отметим его многоликость и оригинальность.
      Во-первых, трение никогда не проявляет себя самостоятельно, подобно, например, движению электрических зарядов или гравитационному притяжению тел. По фундаментальным физическим причинам это скорее удивительно навязчивый, почти неизбежный спутник множества окружающих нас явлений и в первую очередь такого важного, как перемещение тел в сопротивляющейся среде. Вспомним, что наше существование связано так или иначе с движением по земле, воздуху и воде. Поэтому трение тайно или явно присутствует повсюду, накладывая свой особый отпечаток буквально на все виды нашей жизнедеятельности и играя при этом иногда полезную, а иногда и вредную, даже роковую роль.
      Характерно, что трение всегда пытается помешать любому перемещению тела относительно среды. Это, с одной стороны, поразительным образом помогает человеку передвигаться по суше, воде и воздуху со все нарастающей скоростью, а с другой, вынуждает его расплачиваться за такие перемещения все более чудовищными расходами энергии и топлива. Как и почему это происходит, читатель узнает из книги.
      Во-вторых, трение всегда сопровождается выделением тепла. На заре нашей цивилизации такое счастливое обстоятельство позволило людям сделать одно из величайших изобретений: научиться добывать огонь. В нашем веке это же явление успешно используется в технике для сварки трением. В то же время нагрев при трении о воздух превратился сейчас в настоящий кошмар для инженеров и конструкторов, занятых созданием сверхскоростных самолетов и космических кораблей. Отсюда исключительная актуальность проблем трения для новейшего машиностроения.
      И наконец, изнашивание машин и оборудования — это, безусловно, самое разорительное и, увы, во многих случаях пока
      Неизбежное порождение трения, ущерб от которого только в нашей стране исчисляется астрономической суммой — десятками миллиардов рублей в год. Такова цена и значимость проблемы трения в народном хозяйстве страны в целом.
      Неудивительно, что любой крупный практический успех в использовании трения или, наоборот, в уменьшении его как при перевозке грузов, так и в самих машинах всегда сопровождался революционными изменениями в технике. Из множества примеров, приведенных по этому поводу в книге, выделим древнее изобретение колеса и использование уже в наше время совершенно новых типов смазок и подшипников.
      С другой стороны, исключительная занимательность и прямая связь задач трения с физикой и наукой вообще постоянно приковывали к этим задачам внимание самых выдающихся естествоиспытателей всех времен, начиная от Аристотеля и кончая крупнейшими современными учеными. В итоге совсем не случайно теоретические и прикладные вопросы трения стали, в определенном смысле, важным элементом нашей жнзнй и культуры. Это подчеркивается самим названием книги и доказывается ее содержанием.
      Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность профессору А. П. Островскому за помощь, оказанную в процессе работы над книгой.
     
      ГЛАВА I
      ТАИНСТВЕННЫЙ ЗНАКОМЕЦ
      Эта книга о трении — явлении, сопровождающем нас с детства буквально на каждом шагу, а потому ставшим таким привычным и незаметным.
      Возьмем монету и потрем ею о шершавую поверхность. Мы отчетливо ощутим сопротивление — это и есть сила трения. Если тереть побыстрее, монета начнет нагреваться, напомнив нам о том, зто при трении выделяется тепло, — факт, известный еще человеку каменного века, — ведь именно таким способом люди впервые научились добывать огонь. Снова потрем о ту же поверхность, но уже не монетой, а школьным ластиком, и сопротивление резко возрастет. Это также не вызовет особого удивления: всякий знает, что, кроме скользких предметов, норовящих выскочить из рук, есть резина, которая в отличие от других материалов не скользит, а потому с успехом идет на подметки для обуви.
      Любое механическое устройство — от детского велосипеда до сложнейшего космического корабля — нуждается в смазке, позволяющей резко ослабить трение ... Ну, вот, пожалуй, и все, что известно о трении не только школьникам, но и подавляющему большинству взрослых. Спрашивается, что же тут интересного и зачем нужна целая книжка?
      Читатель будет, наверное, удивлен, если мы скажем, что с трением на протяжении веков и тысячелетий было связано немало сложных физических загадок и парадоксов, часть которых не решена и доныне. Изучением причин трения и природы этого явления занимались в разные времена и эпохи самые выдающиеся естествоиспытатели: Аристотель, Леонардо да Винчи, Галилей, Ньютон, Эйлер, Джоуль и многие другие. Достаточно вспомнить, что трение — один из важнейших видов сопротивления движению, а, например, механическое движение с самого зарождения философии, а гораздо позднее — и естествознания, было едва ли не главным предметом размышлений и опыта. Поэтому без преувеличения можно сказать, что древняя тайна механического движения, раскрытая только в XVII веке, в эпоху становления классической физики, неразрывно связана с отчетливым пониманием истинной роли трения. Еще два века спустя опыты, позволившие установить механический эквивалент теплоты, послужили решающим подтверждением закона сохранения энергии — фундамента современной физики.
      И все же больше всего задач, во многом определяющих развитие нашей цивилизации и связанных так или иначе с трением, с незапямятных времен ставила перед человеком практика, т е. сама жи нь. Люди отчетливо ощущали трение, перетасквая вочоком ги антские, весящие десятки тонн каменные глыбы, необходимые для сооружения древних могильников и святилищ. Первые катки с успехом использовались, например, для перетаскивания тяжелейших статуй богов в Мессопо-тамии, а также для строительства Стоунхеджа — гигантской обсерватории — святилища, построенного на территории современной Англии почти четыре тысячи лет тому назад.
      Примерно в третьем тысячелетии до нашей эры в Шумере и р ионе Кавказа появились громоздкие и неуклюжие повозки на колесах, в которые вначале впрягали волов, а позднее лошадей, ослов и других животных. В еще более ранние времена увлекаемые ветром и течением бревна, не тонущие даже под большим грузом, навели на мысль о плотах, которые породили первые примитивные суда, приводимые в движение веслами и парусом. Стало ясно, что изнуряющего трения на суше можно избежать, заменяя дорогостоящие и малоэффективные сухопутные перевозки по бездорожью речными, а затем и морскими.
      Проблемы трения настойчиво напоминали о себе и в самых примитивных механизмах, изобретенных в древности. В дошедших до нас опорах колодезных воротов времен бронзового века (V век до н.э.) обнаружены следы оливкового масла, которое помогало ослабить трение и избавляло наших пращуров от неприятного скрипа.
      Так, шаг за шагом, человек научился успешно бороться с трением доступными и привычными способами, передаваемыми из поколения в поколение и дожившими до нашей эпохи.
      Но трение — не только тормоз для движения. Это еще и главная причина изнашивания технических устройств — проблема, с которой человек столкнулся также на самой заре цивилизации. При раскопках одного из древнейших шумерских городов, Урука, обнаружены остатки массивных деревянных колес, которым 4,5 тыс. лет. Колеса обиты медными гвоздями с очевидной целью — защитить обод от быстрого изнашивания. Два с половиной тысячелетия спустя древние римляне сберегали таким же образом подошвы обуви, используя, однако, уже железные гвозди. Железо применялось римлянами и для изготовления подков, защищавших от изнашивания копыта лошадей.
      Настоящую сенсацию произвели деревянные плуги, обнаруженные при раскопках в северо-западных областях Европы и относящиеся к доколумбовским временам, т.е. к XIV — XV векам. Оказалось, что лемехи и отвалы этих орудий были защищены от изнашивания вполне современным методом — укреплением рабочих поверхностей мелкими камешками, обладающими высокой твердостью.
      И в нашу эпоху борьба с изнашиванием технических устройств — важнейшая инженерная проблема, успешное решение которой позволило бы сэкономить десятки миллионов тонн стали, миллионы тонн цветных металлов, резко сократить выпуск многих машин и запасных частей к ним, уменьшить в несколько раз объем ремонтных работ. Неудивительно, что сейчас проблемами повышения износостойкости машин и оборудования только у нас в стране занимаются десятки крупных научно-исследовательских организаций.
      Упомянутое стирание подошв — нагляднейший пример изнашивания, хорошо знакомый всем с детства. В наше время человек все меньше ходит пешком и все больше пользуется транспортом, в частности автомобилем. В итоге изнашиваются уже не только подметки, но и несметное, исчисляемое многими миллиардами штук в год количество резиновых шин, — сущее бедствие современной цивилизации. Но и это — далеко не самый драматический пример потерь, связанных с трением. Покоряя природу и преобразуя окружающий мир, люди неизбежно сталкиваются с двумя главными проблемами изнашивания. И обе они — следствие прямого взаимодействия машин с твердым веществом.
      Это, во-первых, проблема, связанная с обработкой почвы сельскохозяйственными орудиями, выемкой грунтов, с которыми имеюТ дело строители дорог, рытьем тоннелей и, наконец, прохождением горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин, а также сооружений шахт для добычи угля и других полезных ископаемых. Во-вторых, это обработка металлов И прочих материалов на многочисленных станках. Естественно, что изнашиванию подвергаются в первую очередь резцы, сверла и другие исполнительные органы машин. Только в одной стране — Соединенных Штатах Америки — потери от изнашивания оборудования и инструмента исчисляются десятками миллиардов долларов в год.
      Огромный урон приносят и последствия трения в самих машинах. Коварство этого вида изнашивания состоит в том, что даже совсем малые, неуловимые на глаз изменения размеров и формы деталей, вызванные износом, приводят к вибрациям и биениям в машинах, порче систем уплотнения и другим вредным и опасным последствиям, нарушающим нормальную работу, снижающим ее качество и создающим угрозу аварии. Из-за этого ничтожный, казалось бы, износ требует сплошь и рядом замены всей детали. А это не только удорожает и затрудняет использование машин, но и приводит к «омертвлению» целых гор ценных материалов.
      Являясь непременным спутником трения, изнашивание зависит от него довольно сложным и неоднозначным образом. Если трение меняется в сравнительно узких пределах, то темп изнашивания может при этом возрастать или уменьшаться порою в десятки, а то и сотни раз даже при незначительных, казалось бы, колебаниях и капризах внешней среды, например при повышенных влажности или температуре. Это свидетельствует о том, что трение и изнашивание хотя и сопутствуют друг другу, но физически — разные явления, имеющие свои особые законы и механизмы.
      Тем ие менее, разобравшись в секретах трения, значительно легче понять, как и за счет чего происходит постепенное стирание поверхностей. А это, в свою очередь, помогает человеку найти или изобрести успешные средства защиты от изнашивания. Здесь мы и подошли к важной мысли: познание процессов трения есть одновременно крупный и. совершенно необходимый шаг в деле борьбы с изнашиванием — этим злейшим врагом современной инженерии.
      До поры до времени не задумывались о загадочных свойствах трения, например, о том, почему трение о воду во много раз меньше, чем о сушу, и отчего примитивные деревянные катки, подложенные под тяжелый груз, позволяют, как по волшебству, обходиться десятками грузчиков там, где при обычном волоке надрывались бы сотни, а то и тысячи людей. С другой стороны, древние египтяне, воздвигавшие невиданные по размерам пирамиды из тщательно обработанных прямоугольных глыб, наверняка знали, что сопротивление при перетаскивании таких глыб не зависит от того, лежат ли они плашмя, покоятся иа боковой грани или стоят «на попа». Причина этого явления мало кого интересовала до тех пор, пока французский ученый Гильом Амонтон не возвел его в конце XVII века (1699 г.) в ранг закона природы, носящего теперь его имя.
      Именно этот закон, подкрепленный столетие спустя опытами другого француза — выдающегося ученого Шарля Кулона, позволил объяснить таинственное ослабление тяги у первых паровозов даже при пологих подъемах в гору. Тем не менее физический смысл закона Амонтона — Кулона остается не вполне ясным и в наше время.
      А вот и еще одна загадка. Прошло уже полтора века с момента установления механического эквивалента теплоты, позволяющего точно соотнести работу на преодоление трения выделившейся при этом теплоте. Но каким образом происходит
      превращение механической энергии в теплоту при трении? Исчерпывающего ответа на этот вопрос нет и до сих пор.
      Отметим, наконец, и важную роль трения в становлении учения об электричестве. Даже само слово «электрон» происходит от греческого названия янтаря, на котором при трении наводится отрицательный заряд, т.е. возникает избыток электронов. В классических опытах Бенжамена Франклина трение служило простейшим способом перераспределения электричества в твердых телах. Наконец, вплоть до открытия Майклом Фарадеем явления индукции магнитным полем тока в проводнике трение служило единственным средством превращения механической энергии в электрическую.
      В то же время необходимо помнить, что трение как явление, при всей его важности, никогда не существует само по себе. Оно всегда вторично, и поэтому его скорее можно назвать спутником или, если угодно, своеобразной тенью самых разных явлений, будь то прохождение электрического тока по проводнику, скольжение саней по снегу или движение самолета и ракеты в среде, оказывающей сопротивление. Таким образом, трение есть скорее некоторое реальное ограничение, накладываемое на идеальную физическую модель явления. В еще более широком смысле трение выражает необратимость процессов и событий, происходящих в окружающем нас мире.
      Вот почему кажущееся нам столь заурядным явление трения — не только важный, но и интересный феномен, по-прежнему хранящий в себе немало тайн и вполне достойный более близкого знакомства. Подробный рассказ об этом явлении мы начнем с того, как гениальные идеи и решающие опыты великих ученых-мыслителей, принадлежащих к разным историческим эпохам, повлияли на развитие представления о трении.
     
      ГЛАВА 2
      ЭСТАФЕТА ТИТАНОВ
      Уже на немногих примерах мы убедились в огромной значимости трения для решения самых актуальных проблем инженерии. Но представления о трении имеют и свою поучительную историю, истоки которой ведут к представлениям о мире, сложившимся у мыслителей Древней Греции. В центре внимания философов находились тогда не практические задачи, а самые общие проблемы, касающиеся причин движения и превращений в природе, что нашло отражение в механике Аристотеля — выдающегося мыслителя античного мира.
      Как мы хорошо знаем, чтобы привести в движение какое-нибудь тело, надо приложить к нему внешнюю силу. Причем если эта сила будет недостаточной, то сдвинуть тело нам не удастся — мы заставим тело двигаться, лишь когда внешняя сила превысит максимальное значение силы трения. Чем меньше трение, тем меньше сила, приводящая в движение тело. Согласно же учению Аристотеля, для поддержания движения в любом случае, даже и в отсутствие трения, была бы необходима вполне определенная сила.
      Учение древнего мудреца убедительно объясняло движение лошади с тяжелой поклажей. В самом деле, стоит животному остановиться, как сразу прекращается и движение повозки. Для удвоенного груза, согласно Аристотелю, требуется уже две лошади и наоборот: разгрузив упряжку, мы можем с легким сердцем погнать животное рысью. Но, увы, эта же теория не могла столь просто и наглядно описать другие очевидные факты: бросание камня или полет выпущенной из лука стрелы.
      Великий итальянский ученый эпохи Возрождения Галилео Галилей, живший почти два тысячелетия спустя после Аристотеля, четко сформулировал закон инерции. Согласно этому закону, если на тело не действуют никакие силы, оно находится в покое или движется прямолинейно и равномерно сколь угодно долгое время.
      Пнза, Падуя, Флоренция ... С названиями этих старинных итальянских городов связаны выдающиеся открытия Галилея в области механики, астрономии, оптики на рубеже XVI и XVII веков. Модель движения тел стала с этого времени совсем иной. Получив кратковременный толчок извне, тело при отсутствии трения должно вечно двигаться по инерции с постоянной скоростью. Иными словами, такое движение без трения, раз начавшись, не требовало уже никакой дополнительной силы!
      При длительном действии силы тело должно разгоняться до все большей скорости, пока не прекратится действие силы. Механика Галилея отлично объяснила не только полет стрелы или пушечного ядра, но и такое значительно более сложное движение, как разгон пороховой ракеты, изобретенной когда-то в Китае и попавшей в средневековую Европу при посредничестве арабов. Вспомним, что лошадь с тяжелой поклажей движется медленно и равномерно, т. е. инерция груза никак не проявляется, и вся тяга лошади затрачивается на преодоление трения. Остановка лошади из-за действия силы трения приводит к почти немедленной остановке повозки, как и считали Аристотель и Галилей.
      Казалось бы, все ясно. Но здесь мы сталкиваемся с таким важным понятием, как мощность, которое оказывается на поверку далеко не простым. Мощность — это энергия или работа, совершаемая в единицу времени. Но какой все-таки смысл скрыт, скажем, в понятия «мощность автомобиля»? Более мощные машины способны перевозить больший груз и ездить быстрее, — скажете вы. Верно, но
      Земные автомобили, мощностью которых мы интересуемся, мчатся в плотной окружающей среде, сопротивление которой сильно зависит от скорости их перемещения. И это прекрасно понимал Галилей. «При движении в сопротивляющейся среде, — писал он, — по мере возрастания скорости падающее тело встречает постоянно возрастающее сопротивление, вследствие чего происходит постоянное уменьшение ускорения, и наконец сопротивление достигает такой величины, что ускорения не будет и тело будет продолжать двигаться равномерно». Поэтому предельному случаю и соответствует мощность автомобиля, которая ограничивается трением, возникающим при движении.
      Раздумья о возможности движения тел без всякого трения, т. е. в пустоте под действием постоянной силы, и привели Галилея к идее инерции.
      Открыв определяющую роль трения при механическом движении, Галилей следовал традиции, завещанной древними мыслителями, Совсем иным путем пришел к проблеме трения великий Леонардо да Винчи, живший и творивший в тех же местах, что и Галилей, но примерно на столетие раньше. Непревзойденный рисовальщик Леонардо придавал исключительное значение рисунку, в том числе и техническому, считая, что именно в нем выражается цельность и самая суть конструкторского замысйа, недостижимые при словесном описании, Поэтому его уникальные по содержанию и богатству идей рукописи, или «кодексы», насыщены прекрасными рисунками и обстоятельными пояснениями к ним.
      Инженерное воображение Леонардо, запечатленное в его рукописном наследии, поистине безгранично: почти без преувеличения можно сказать, что он изобрел все, что связано с исследованием механических и гидравлических, а в ряде случаев ~и оптических устройств.
      Один из богатейших городов Италии того времени — Милан славился своими оружейниками и мастерами по обработке металлов, а его властелины уделяли особое внимание военному делу. В 1482 г. Леонардо, живший в то время во Флоренции, предложил свои услуги в качестве инженера миланскому герцогу Лодовико Моро, ведущему войну с Венецианской республикой. Неудивительно поэтому, что флорентиец делал главный упор на свои познания в секретах изготовления военных орудий, упоминая при этом о легких пушках — бомбардах, которые «кидают мелкие камни, словно буря, и наводят своим дымом великий страх на неприятеля», а также о крытых повозках, явно смахивающих на современные танки: «Также устрою я крытые повозки, безопасные и неприступные, для которых, когда врежутся со своей артиллерией в ряды неприятеля, нет такого множества войска, которого они не сломили бы. А за ними невредимо и беспрепятственно сможет следовать пехота». Леонардо не забывает и о способах наведения легких и крепких переносных мостов, не боящихся пожара и столь необходимых в военном деле, об изготовлении различных осадных орудий и инструментов, постройке тайных извилистых ходов под землей, позволяющих застать противника врасплох, и т. д. Перед нами почти уникальная для изобретателя способность представлять различные инженерные задачи, как сейчас говорят, системно, т. е. во взаимосвязи со множеством сопутствующих проблем.
      Не менее поразительна способность Леонардо видеть в машине реальное сооружение, испытывающее значительное трение и подверженное деформации, изнашиванию и старению.
      Ни с чем не сравнимый вклад Леонардо в борьбу с трением был осознан лишь недавно, когда в Мадридской национальной библиотеке были случайно обнаружены две его неизвестные рукописи, названные «Мадридским кодексом». Одна из них начинается с вывода о бессмысленности вечного двигателя «Стремление создать вечное колесо — источник вечного движения — можно назвать одним из бесполезных заблуждений человека, — писал Леонардо. — На протяжении многих столетий все, кто занимался вопросами гидравлики, военными машинами и прочим, тратили много времени и денег на поиски вечного двигателя. Но с ними происходило то же, что и с алхимиками: всегда находилась какая-нибудь мелочь, которая якобы мешала успеху опыта. Моя небольшая работа принесет им пользу: им не придется больше спасаться бегством от королей и правителей, не выполнив своих обещаний». Последняя фраза знаменательна: она опровергает заблуждение, что Леонардо писал якобы лишь для себя и не интересовался популяризацией и освоением собственных идей.
      Столь же поверхностно мнение о Леонардо как о гениальном самоучке, не получившем систематического образования. Правильнее было бы считать, что оторванной от практики схоластике средневековых университетов Леонардо противопоставил собственный, невиданный в то время метод обучения естествознанию и техническим наукам, основанный на специально поставленных опытах. «Моя цель состоит в том, чтобы представить сначала эксперимент, а затем доказать посредством рассуждения, почему данный эксперимент должен привести к этому результату, и не какому-либо другому ... И этот опыт пусть будет произведен много раз, так чтобы какой-нибудь случай не помешал этому доказательству или не исказил его». В этих немногих и четких словах Леонардо ясно виден новый гениальный метод познания природы, провозглашенный лишь целое столетие спустя великим английским философом Ф. Бэконом и реализованный практически Галилеем.
      Особый интерес для нас представляют опыты Леонардо по трению. На сохранившихся рисунках, сопровождаемых, как обычно, детальными объяснениями, мы замечаем простые и остроумные устройства, позволяющие определить силу трения при страгивании с места и скольжении плоского тела по плоскости, а также момент сопротивления в подшипнике. Своим утверждением: «каждое тяжелое тело порождает сопротивление трения, равное четверти веса этого тела» Леонардо, чуть ли не впервые со времен Архимеда, формулирует физический закон, открытый им опытным путем.
      Переходя к способам снижения трения в машинах, Леонардо уделяет особое внимание использованию круглых тел. Многочисленные рисунки позволяют считать великого итальянца изобретателем как шарикового, так и роликового подшипников. «Я не вижу большой разницы между ними, — размышляет Леонардо, — исключая ту, что шарики могут вращаться во всех направлениях, а ролики — только в одном. Но если во время движения шарики и ролики соприкасаются, движение будет более медленным, так как при их касании сила трения будет действовать в противоположном направлении». В сохранившихся набросках можно усмотреть и способ, предлагаемый Леонардо для разделения тел качения, основанный на использовании так называемого сепаратора.
      Верный своему принципу всестороннего подхода к инженерной задаче, Леонардо находит пути снижения трения и изнашивания в машинах, которые были открыты лишь много лет спустя в разных странах и разными изобретателями. Например, предложенный Леонардо рецепт смазочного металлического сплава оказался близким по составу подшипниковому материалу, запатентованному американцем А. Бэббитом лишь в 1839 г., а сложнейшая глобоидальная передача, детально изображенная на одном из рисунков величайшего из инженеров, была изобретена заново лишь два с половиной века спустя. «Чем больше колес в вашем механизме, — учил Леонардо, — тем больше в нем зубчатых зацеплений .тем выше трение и, следовательно, больше силы будет потеряно двигателем».
      Увы, эта очевидная теперь истина оставалась неизвестной еще многим поколениям механиков. Об этом красноречиво свидетельствует рисунок XVII века, где изображен человек, который, играючи, вырывает с корнем огромное дерево. Турбин-ка, на которую он старательно дует, соединена с мощной системой блоков и зубчатых передач; способных и впрямь увеличивать силу дуновения в огромное число раз, если бы... не трение, против которого н предостерегал мудрый Леонардо.
      Открытие принципа инерции позволило поставить на прочную научную основу измерение сил трения. Наиболее простой прием состоял в том, чтобы сделать процессы скольжения или Качения равномерными. Ведь при этом, как мы помним, сила сопротивления движению в точности равна силе трения. Осуществить такое равномерное движение можно, используя простейшие приспособления: каток, веревку и гири. Именно таким путем, начиная с Леонардо, шли все последующие исследователи трения.
      В 1699 г., т.е. спустя почти два века, Гильом Амонтон направил во Французскую академию наук письмо, в котором впервые был сформулирован в математическом виде закон о прямой Пропорциональности между силой N, прижимающей одно тело к другому, и силой трения F:
      где ц — коэффициент пропорциональности, названный коэффициентом трения.
      Отметим, что постоянство отношения F/N было установлено еще Леонардо да Винчи, который путем измерения нашел его равным ‘Д для всех материалов. Ничего не знавший об этом Г. Амонтон подтвердил вывод великого итальянца собственными опытами с медью, железом, свинцом и деревом, получив во всех случаях для ц значение, равное 1/3. Теперь мы знаем, что коэффициент трения непостоянен и зависит от свойств двух соприкасающихся материалов, так называемой пары трения. Тем ие менее и вывод Амонтона находит простое объяснение: все испытанные им материалы специально смазывались жиром, поэтому различия в коэффициенте трения выравнивались. Необычна для того времени практическая направленность исследований Г. Амонтона «Теперь, установив в достаточной мере природу трения и его законы, остается только сказать кое-что о правилах, по которым оно может быть сведено к расчету, дабы знать, каково трение в самых сложных машинах», — так писал один из пионеров науки о трении. И оказался пряв: закон Амонтона дожил до нашего времени и стал основой при расчете и решении множества инженерных задач. Но прежде чем рассказать о них, заметим, что этот закон при его вйдимой простоте таит в себе секрет, не разгаданный и до сих пор.
      Ясно, например, что два кирпича, поставленные друг на друга, создают силу трения, ровно в два раза большую, чем один. Но вот что удивительно: не имеет никакого значения, как лежат кирпичи — друг на друге или рядом — суммарная сила трения, действующая на оба кирпича, остается без изменения. Больше того, вы можете класть их плашмя, на бок, ставить «на попа» — во всех случаях общая величина трения будет одинаковой! Это кажется странным. Так и напрашивается вывод, что сила трения должна быть пропорциональна площади соприкосновения тел. В самом деле, приклеив, например, те же кирпичи к столу по трем разным по площади граням, мы получим не одно, а целых три значения сопротивлению отрыва, строго пропорциональные площади контакта.
      Дальнейший шаг был сделан знаменитым механиком и математиком XVIII века Леонардом Эйлером. Швейцарец по происхождению, Эйлер уже в двадцатилетием возрасте проявил выдающиеся способности и был по рекомендации Д. Бернулли назначен адъюнктом (помощником профессора) по математике в Петербургскую академию наук, где прошла большая часть его необычайно богатой творческой жизни. Уже в первом ме-муаре по механике машин, вышедшем в 1747 г., Эйлер предложил новый подход к механическим устройствам, заложив основы новой технической науки — динамики машин.
      Так, механические устройства, впервые со времен Леонардо да Винчи, стали рассматриваться в движении, а их поведение — анализироваться математически на основе принципов новой механики. В мемуаре «О машинах вообще» Эйлер особо выделяет в качестве одного из трех основных вопрос о силе трения.
      Из’школьного курса физики мы знаем, что время свободного падения тела с высоты h равно \/2hfg, где д — ускорение свободного падения на Земле. А сколько временй тело будет падать с той же высоты, но по наклонной плоскости? Из опыта катания с горок мы знаем, что более пологая горка позволяет катиться дольше. Это же знал и Галилей, который исследовал свободное падение тел не путем сбрасывания их с покосившейся от старости Пизанской башни (так утверждает легенда), а с помощью наклонного желоба, по которому скатывали чугунные шары. Время «падения» теперь значительно растягивалось, что позволяло выдающемуся естествоиспытателю, не имевшему совершенных часов, снизить ошибку в измерении времени до минимума
      А если тело при этом не катится, а скользит, т. е. испытывает значительное трение? Рассмотрев этот случай, JI. Эйлер получил формулу для времени соскальзывания, в которую входил коэффициент трения. Так родился новый способ измерения трения скольжения с помощью... часов. Из этой же формулы следовало, однако, что при уменьшении угла наклона и сближения значений tga и ц время соскальзывания t обращалось в бесконечность. Опыт же однозначно показывал, что соскальзывание, раз начавшись, происходит затем довольно быстро. Впервые отметив этот эффект, Эйлер дал ему простое и убедительное толкование: сопротивление началу движения (или сила трения покоя) всегда заметно больше, чем сила трения скольжения. Простой и наглядный способ убедиться в этом дает опыт с палкой, края которой покоятся на указательных пальцах наших рук. Постепенно сдвигая пальцы, мы заставляем палку скользить попеременно, то по одному, то по другому из них. И всякий раз начало скольжения требует заметного снижения нагрузки на соответствующий палец.
      Открытие Эйлера уже в его время имело важное практическое значение: оно помогало рассчитать условия начала и последующего движения гигантской по тем временам массы морского судна при спуске его на воду.
      Не менее известно и другое достижение Эйлера — знаменитая формула позволяющая рассчитать действие гениально простого приспособления для усиления трения, состоящего всего-навсего из каната или троса, намотанного на круглую неподвижную опору — кнехт. Благодаря этому устройству даже ребенок может удерживать на швартове целый корабль.
      Вспомним сначала эффект, возникающий при перебрасывании через плечо веревки, с помощью которой тянут груз: возникающая из-за трения сила натяжения веревки имеет вертикальную составляющую, которая, с одной стороны, уменьшает силу давления груза, а с другой стороны, увеличивает еилу давления подошв тянущего груз человека на землю и помогает преодолеть ... силу трения.
      Нечто подобное возникает и в данном случае. Пренебрежем трением и рассмотрим участок каната, растянутого силой Г и отклоняемого упором (кнехтом) на малый угол Да (рис. 1). Мы видим, что при этом со стороны упора на рассматриваемый участок каната должна действовать сила реакции опоры N = ГДа (угол Да измеряется в радианах и считается малым, в результате чего мы пренебрегаем различием между
      При наличии трения канат будет неподвижен и в том случае, когда силы натяжения слева и справа от участка Да немного отличаются. Проскальзывание каната начнется, если уменьшение его натяжения на участке Да сравняется с силой трения покоя AFrp = = рТДа. Следовательно, изменение натяжения каната равно ДТ= — рТДа и пропорционально натяжению Г.
      В физике часто встречаются ситуации, когда изменение какой-либо величины пропорционально самой величине. Вспомним, например, явление радиоактивного распада: уменьшение числа радиоактивных ядер в единицу времени пропорционально их числу. Другим примером может служить разряд конденсатора через резистор. Уменьшение заряда на конденсаторе пропорционально току, проходящему через резистор, который, в свою очередь, пропорционален заряду конденсатора. Во всех этих случаях действует экспоненциальный закон изменения соответствующих величин. Такая зависимость получается и в нашем случае для изменения натяжения каната. Как было впервые показано Эйлером, натяжение каната Т уменьшается в зависимости от угла х охвата опоры канатом по закону
      где число е = 2,71828 основание натуральных логарифмов, Т0 — начальное натяжение каната, а угол а (измеряемый в радианах) связан с числом оборотов п каната вокруг кнехта про. стым соотношением а — 2пп. Если одного оборота достаточно, чтобы уменьшить натяжение каната в к раз:
      Отметим еще раз, что речь идет о минимальном натяжении каната, когда вот-вот начнется его скольжение.
      При коэффициенте трения р = 0,3 один оборот каната вокруг кнехта уменьшает силу его натяжения почти в семь раз, а если сделать два оборота, то натяжение ослабнет примерно в сорок раз.
      С ростом числа оборотов натяжение каната благодаря трению становится все меньше и меньше и постепенно сходит на нет. Получается (обратите на это внимание!), что отмеченный Эйлером эффект зависит не просто от площади контакта, а от изменения начального направления каната, задаваемого упором и определяемого углом охвата а: чем больше угол охвата тем значительнее прирост трения.
      Выходит, что для создания трения хитроумно используется сила натяжения троса: при достаточно большом а все усилие натяжения трансформируется в силу трения! Столь важные для практики соотношения были получены Эйлером «на кончике пера», т.е. чисто математически, исходя из самых общих принципов механики. Для дальнейшего движения вперед необходимы были специальные опыты, позволяющие не только распознать скрытые свойства трения, но и дать инженерам-прак-тикам количественные оценки этого явления. Такая задача впервые была выполнена известным французским ученым и военным инженером Шарлем Кулоном, который по праву считается основоположником науки о Трении
      Работая в качестве инженера на военных верфях порта Рошфор, на западном побережье Франции, Кулон подчинил все исследования трения решению конкретных практических задач. Измерительные устройства и приспособления, использованные Кулоном, при всей их простоте отличались высоким качеством исполнения, а методы измерения — надежностью и точностью, в которых без труда угадывался будущий выдающийся физик-экспериментатор.
      Прежде всего Кулон решил проверить справедливость закона своего соотечественника Амонтона и в результате многочисленных опытов пришел к более общей зависимости:
      F = pN + А, (2)
      называемой теперь законом Амонтона — Кулона. Нетрудно видеть, что, полностью подтвердив простое соотношение между силой трения F и внешней силой N, Кулон прозорливо обнаружил и новое, причем довольно тонкое обстоятельство — способность тел к слипанию и созданию тем самым сопротивления проскальзыванию, не зависящего от N. Такой новый закон послужил важным стимулом к поискам возможных механизмов трения, сочетающих в себе как зацепление неровностей, так и действие поверхностных атомно-молекулярных сил.
      Вторым важным выводом Кулона следует считать своего рода «понижение в должности»- основного понятия — коэффициента трения. Вместо универсальной константы коэффициент трения превратился в результате тщательной проверки опытом всего лишь в инженерную характеристику, зависящую от материалов пары трения, шероховатости поверхностей, влажности окружающей среды и даже времени предварительного контакта тел. Именно Кулону мы обязаны отчетливым пониманием того, что трение — результат одновременного действия множества явлений и поэтому не предсказуемый теоретически, хотя вполне определяемый на практике.
      Трение качения Кулон исследовал с помощью деревянных цилиндров, катящихся по полозьям из того же дерева, — картина, довольно типичная для судоверфи его времени. Итогом этих занятий послужила дожившая до наших дней формула для сопротивления качению
      F, = XN/R, (3)
      где Я — радиус цилиндра, а X — коэффициент трения качения, имеющий размерность длины. Любопытно, что здесь, по-видимому, интуитивно, Кулон использовал представление о качении как о предельном случае применения рычага с очень большим соотношением плеч, равным Х/Я. Такая гипотеза остроумна, однако, как мы увидим ниже, не позволяет ответить на вопрос об источнике потерь энергии при качении.
      Впрочем, подобного вопроса во времена Кулона просто не существовало. Задача заключалась в том, чтобы правильно рассчитать силу трения, поскольку именно от нее зависело число «тягловых» рабочих или лошадей. Механика и теплота во
      времена Кулона все еще оставались совершенно отдельными областями физики. Поэтому объяснение причины трения, этого чисто механического, как тогда считали, явления, не выходило за рамки механики. Вот почему Кулон вслед за Амоитоном считал, что трение связано с подъемом и спуском одного тела по неровностям другого.
      Эта гипотеза, недостаточная для понимания трения, отлично работает при объяснении затрат энергии при ходьбе. Почему при езде на велосипеде мы, в похожих условиях, устаем куда меньше, чем шагая по дороге? Дело в том, что при посадке в седло наш центр масс находится на постоянном расстоянии от горизонтали, а при ходьбе он с каждым шагом перемещается вверх и вниз, на что затрачивается значительная энергия. Этого стараются избежать при спортивной ходьбе, когда скороходы вынуждены двигаться крупными шагами.
      Решая мореходную задачу, связанную с определением момента трения компасной стрелки, Кулон изобрел новый, особо чувствительный способ измерения трения, ставший с тех пор классическим. Речь идет о методе затухающих колебаний, амплитуда которых, согласно закону Амонтона — Кулона, уменьшается во времени строго линейно. Применение этого метода в наше время позволяет измерить коэффициент трения качения с чувствительностью до одной десятимиллионной доли!
      Результаты опытов по трению были обобщены Кулоном в мемуаре «Теория простых машин с учетом трения их частей и жесткости канатов». Эта работа, опубликованная в Париже в 1781 г., получила признание крупнейших ученых и была отмечена двойной премией Французской академии наук. Это случилось за несколько лет до того, как были установлены законы электростатики и магнетизма — достижения, принесшие Кулону звание академика и мировое признание. Интересно, что законы электромагнетизма были открыты ученым с помощью необычайно чувствительного прибора — крутильных весов, изобретенного им при изучении трения компасной стрелки об острие.
      Исследования Кулона завершали «механический» этап в исследовании трения, исчерпавший все то, что связано с проявлением трения как силы сопротивления движению. Дальнейшее развитие учения о трении стало возможным благодаря фундаментальным успехам в области учения о теплоте и физики поверхностных явлений. Достижения великих естествоиспытателей и инженеров, о которых мы рассказали, вплотную подвели ученых к следующему важнейшему рубежу — осознанию трения как явления превращения механической энергии в теплоту в соответствии с фундаментальными законами физики, установленными лишь в середине прошлого века.
     
      ГЛАВА 3
      ОТКУДА ЖЕ БЕРЕТСЯ ТЕПЛОТА?
      Издавна известно, что при трении выделяется тепло. Но сколько тепла? После изобретения кремниевого огнива, а затем и серных спичек вопрос этот не представлял практического интереса, поскольку техника средневековья была «тихоходной», основанной, если исключить пришедшие из тьмы веков водяные и ветряные мельницы, на ручном труде работников и физической силе лошадей. Тепла при трении по этой причине выделялось мало, и перегрев деталей был довольно редкой неприятностью, случавшейся обычно из-за плохой смазки колесных втулок конных экипажей, вынужденных по той или иной причине мчаться иногда с большой скоростью.
      О том, что теплота, выделившаяся при трении металлов, способна довести до кипения воду, знал итальянский физик Д. Бальянни, сообщивший об этом поразительном факте самому Галилею еще в 1614 г. Однако письмо это пролежало в безызвестности больше двух веков.
      Подлинный интерес ученых к выделению теплоты при трении стал прослеживаться лишь к концу XVII века благодаря все более настойчивым попыткам физиков выяснить природу теплоты. Согласно тогдашним представлениям всякое тело считалось наполненным или пропитанным невесомым флюидом — теплородом, способным при случае проникать в другое тело, нагревая его и превращая затем в жидкое или газообразное состояние. Поскольку запас теплорода в теле конечен, то ограниченным должен быть и фрикционный нагрев, возникающий, как полагали ученые, благодаря обмену трущихся тел запасом теплорода.
      Подобное мнение о природе теплоты не разделялось многими крупнейшими учеными, в том числе М. В. Ломоносовым, объяснившим нагрев интенсивными колебаниями мельчайших частиц материи. Однако первым, кто понял, что выделение теплоты при трении есть прямой результат подведения к трущимся телам механической энергии, был Б. Томпсон — талантливый и предприимчивый североамериканский офицер, эмигрировавший еще в молодости в Европу и вошедший в историю науки под именем графа Румфорда.
      Открытие, или, если угодно, озарение, пришло, как это нередко бывает, из практики. В технике средневековья сверление (по-старинному «верчение») стволов было одним из самых трудоемких и ответственных этапов изготовления пушек. В описании пушечного двора XVI века, составленном Анисимом Ради-
      шевским — умелым пушечным мастером и учеником самого Андрея Чохова, говорится о необходимости «строити снасть и буравы посреди пушечного сарая и утвердити то над ними сквозь мост чтоб большие пушки вертети»; Вряд ли кто-нибудь предполагал, что именно эта старинная и хорошо знакомая ремесленному люду операция позволит со временем разрешить сложнейшую загадку природы.
      Румфорд, состоявший в качестве инженера на службе короля Баварии и наблюдавший за сверлением пушечных стволов в Мюнхенском арсенале, пришел к выводу, что интенсивное выделение теплоты — естественное следствие самого технологического процесса, связанного с сильным трением сверла о болванку. Иными словами, он понял, что теплота рождается самим трением в практически неограниченном количестве. Для проверки своей гипотезы пытливый исследователь использовал тупое сверло, получив в присутствии многочисленных свидетелей еще более сильный нагрев.
      «Трудно было описать удивление и изумление, выраженное зрителями, — отмечал Румфорд, — при виде, как столь большое количество воды йагревалось и даже было доведено до кипения без всякого огня ... Поскольку установка, применявшаяся в этом опыте, легко могла бы приводиться во вращение силой одной лошади ..., можно рассчитать, сколь большое количество тепла может быть произведено исключительно с помощью надлежащего механического устройства силою одной лошади, без огня, без света, без горения или химического разложения ... Размышляя по этому поводу, мы не должны забывать того самого замечательного обстоятельства, что источник тепла производимого в этих опытах с помощью трения, оказывался, очевидно, неистощимым!» Теория теплорода получила сокрушительный удар.
      Прекрасно понимая значимость своего открытия, ученый сделал в 1798 г. доклад в английском Королевском обществе, который произвел большое впечатление, хотя и не убедил некоторых скептиков. Даже в наиболее полном и авторитетном курсе физики известного французского ученого Ж. Био, вышедшем 30 лет спустя после этого доклада, утверждалось, что причина возникновения теплоты при трении все еще не известна
      Решение этого вопроса стало возможно лишь к середине прошлого века когда 28-летний немецкий врач Р. Майер и 25-летиий владелец лондонского пивоваренного завода Д. Джоуль выдвинули почти одновременно принцип сохранения энергии при ее переходе из одной формы в другую. Количество теплоты, выделившейся при трении, — утверждали они, — строго равно работе, затраченной при этом на преодоление сопротивления движению. «Если мы будем, например, тереть две металлические пластинки друг о друга, — рассуждал Р. Майер, — то мы будем наблюдать, как исчезнет движение и, наоборот, возникнет тепло, и вопрос теперь может быть только в том, является ли движение причиной тепла».
      Далее, подчеркивая обратимость перехода в строгой пропорции механической энергии в теплоту, молодой ученый утверждал, что «локомотив с его поездом может быть сравнен с перегонным аппаратом; тепло, разведенное под котлом, превращается в движение, а таковое снова осаждается на осях колес в качестве тепла». Рассчитанный Майером механический эквивалент теплоты оказался близким по значению экспериментальному результату, полученному позже методом Джоуля, в основе которого было положено трение лопастного устройства о воду. Однако истинная значимость этих работ выяснилась лишь после того, как Г. Гельмгольц распространил полученные результаты на все известные в то время виды движения, сформулировав закон сохранения ранее не известной физикам универсальной величины — энергии, являющейся вместе с понятием материи краеугольным камней современной физики
      Несколько позже Р. Клаузиусом были заложены основы механической теории теплоты и введено необычное понятие энтропии, вызвавшее поначалу сильное противодействие у физиков. Смысл этого таинственного понятия был раскрыт выдающимся австрийским ученым Л.Больцманом, который показал, что энтропия — всего лишь мера неорганизованности или беспорядка
      Например, квартира, в которой мы живем, имеет малую энтропию, если она хорошо прибрана и, наоборот, — большую энтропию, если в ней царит неразбериха и хаос. Но почему, спрашивается, уборка квартиры сопряжена с затратой немалых трудов, в то время как беспорядок всегда возникает с удивительной легкостью и как бы сам собой? Ответ Больцмана был гениально прост: вариантов хаоса всегда несоизмеримо больше, чем путей к порядку. Поэтому любая случайность или небрежность с огромной вероятностью способствуют хаосу, в то время как «бесплатное» достижение порядка практически невероятно и требует приложения сознательных усилий.
      Итак, состояние любой системы и вообще всякого дела, пущенного на самотек, неумолимо становятся все более хаотичным, т.е. их энтропия непрерывно растет. В этом и заключается важнейшее следствие второго начала термодинамики — одного из наиболее общих законов природы. Трение как рассеяние в теплоту механической энергии служит наиболее 26
      распространенным проявлением такой всеобщей склонности природных явлений к росту энтропии. С этой точки зрения трение представляется естественным и чуть ли не обязательным, а потому и трудноустранимым побочным эффектом. С другой стороны, органическая связь этого явления со степенью упорядоченности, или энтропией, системы, прямо вытекающая из второго начала термодинамики, позволила со временем совершенно по-новому и с большим оптимизмом взглянуть на перспективы борьбы с трением и изнашиванием.
      Так, уже ко второй половине прошлого века учение о трении не только вплотную приблизилось по своему содержанию к традиционным областям физики — механике и теплоте, но и послужило связующим звеном между ними, что привело к открытию важнейших физических законов.
      «Трение, — писал Ф. Энгельс, — является тормозом для движения масс, и в течение столетий оио рассматривалось как нечто уничтожающее движение масс, т. е. уничтожающее кинетическую энергию. Теперь мы знаем, что трение и удар являются двумя формами превращения кинетической энергии в молекулярную энергию, в теплоту ... Таким образом, трение и удар приводят от движения масс, предмета механики, к молекулярному движению, предмету физики»*).
      Но какими же способами осуществляются подобные превращения? В истории учения о трении, как, впрочем, почти в любой области науки, есть эпизоды, прошедшие незаметно и не оставившие особой памяти у современников, но оказавшиеся много лет спустя ключевыми для развития определенной отрасли знания. К числу таких событий, бесспорно, относится открытие английским ученым Д. Дезагулье явления когезии, или слипаемости, кусков свинца, сделанное им в период 1724 — 1734 гг.
      Сын французского священника-протестанта Д. Дезагулье еще в раннем детстве был тайно вывезен в Англию спрятанным, по семейному преданию, в корабельной бочке. Произошло это вскоре после отмены королем Франции Людовиком XIV Нантского эдикта (1685 г.), предоставлявшего гугенотам определенные права. Завершив образование в Оксфорде, молодой ученый переехал в Лондон. Там он приобрел известность ие только как лектор по натуральной философии — так в то время называли физику, но и как искусный экспериментатор. Официальным признанием заслуг Дезагулье явилось избрание его членом Королевского общества.
      *) Энгельс Ф. Диалектика природы, — М.: Госполигиздат, 1946. — С. 79.
      Опыты с «намертво» слипшимися образцами свинца были необычайно наглядны. «Легче поднять большинство тел с земли, нежели разбить их на куски», — утверждал ученый в своем курсе лекций. Такая сила, соединяющая части тела, оказывается куда прочнее, чем их земное притяжение. Эта сила, какова бы ни была ее природа, называется притяжением когезии. Оно велико, когда тела касаются друг друга, но очень быстро уменьшается, когда части, находившиеся до этого в контакте, разнимаются. Даже самый малый промежуток между ними приводит к тому, что притяжение становится почти неощутимым, Позднее словом «когезия» стали обозначать только слипание одинаковых материалов, а для общей характеристики явления был придуман термин «адгезия».
      По имевшимся в то время представлениям явление адгезии как обязательного свойства всех твердых тел ниоткуда не следовало. Лишь микроскопическая теория строения вещества выявила особое положение атомов и молекул на поверхности тел: они всегда имеют меньшее число соседей, чем положено, и жаждут восстановить справедливость, вступив в контакт с атомом или молекулой другого тела. Отметим, забегая вперед что роль адгезии стала очевидной лишь в нашем веке, когда ученые вплотную взялись за решение главной загадки трения: каким образом механическая энергия, подводимая к фрикционной паре, превращается в теплоту?
      Популярная к началу XIX века гипотеза о подъеме тел по неровностям, высказанная еще Амонтоном, не соответствовала новым представлениям, связанным с превращением механической «силы» в теплоту. Неудивительно, что шотландец Д. Лесли, уже знакомый, по-видимому, с докладом Румфорда в Королевском обществе, выдвинул гипотезу о тепловыделении при трении за счет смятия бугорков на поверхностях контакта. Это остроумное представление дожило до наших дней и успешно используется при описании трения металлов. -Кому не известно, что алюминиевая проволока, быстро согнутая и разогнутая несколько раз, заметно нагревается в месте перегиба? Но способность большинства металлов к многократной пластической деформации ограничена. Они постепенно твердеют (та же алюминиевая проволока ломается) и в теплоту в результате превращается совсем мизерная энергия. Получалось, что трение металлов в этом случае должно постепенно стремиться к нулю, чего, увы, никогда не наблюдалось.
      Были и другие факты, несовместимые с теорией смятия бугорков, например переход жесткого цилиндра от скольжения по плоскости к качению. Потери на трение после такого перехода исчезающе малы, хотя число сминаемых неровностей остается точно таким же, как и при скольжении. Да, здесь было иад чем поломать голову!
      Будучи хорошим физиком, Лесли отрицал какую-либо роль адгезии при трении, справедливо полагая, что притяжение, открытое Дезагулье, направлено перпендикулярно плоскости скольжения и поэтому никак не в состоянии повлиять на трение. В самом деле, сильное притяжение к Земле нисколько не мешает Луне двигаться по орбите без всякого трения. Подобное соображение разделялось позднее и многими другими крупными специалистами.
      Адгезионная модель трения обрела физическую основу только в конце прошлого века, когда Л. Бриллюэн, опираясь на совершенно новые представления о строении вещества, указал на возможность рассеяния энергии в теплоту при последовательном разрыве и образовании адгезионных связей. Иначе говоря, при скольжении происходит непрерывный обмен связей. Тепловыделение при подобном обмене неизбежно, так как силовые поля вокруг молекул по-разному реагируют на сжатие и растяжение, в отличие, скажем, от обычных пружин.
      Трение, согласно такой гипотезе, есть результат интенсивного обмена адгезионных связей при скольжении одного тела по другому. «Когда два тела перемещаются относительно друг друга, — писал Д. Томлинсон, — непрерывно осуществляется обмен пар молекул, несущих нагрузку. Теория предполагает, что когда две молекулы вступают в контакт (т. е. входят в поле отталкивания) и затем расходятся, теряется энергия, что и считается трением». Идея рассеяния энергии при микроскопическом обмене адгезионных связей была развита позднее в той или иной форме в работах советских ученых В. Кузнецова, Б. Дерягина, Г. Бартенева и др.
      Тем не менее, главным образом благодаря трудам Ф. Боудена и Д. Тейбора в Англии и И. Крагельского в Советском Союзе, стали учитывать не только зацепление и смятие неровностей на контакте, но и прилипание их друг к другу. Так были объединены два долгое время казавшиеся вполне самостоятельными объяснения загадки трения, уходящие к самым истокам учения. Правда, и здесь мнения специалистов разделились: английские исследователи считали, что ведущую роль играет сопротивление адгезионных «мостиков» на срез, в то время как И. Крагельский полагал, что не менее важна и роль зацепления и вдавливания друг в друга неровностей.
      Отметим в заключение, что общепринятой теории превращения механической энергии в теплоту в результате трения твердых тел на сегодня не существует.


      KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ

 

 

НА ГЛАВНУЮТЕКСТЫ КНИГ БКАУДИОКНИГИ БКПОЛИТ-ИНФОСОВЕТСКИЕ УЧЕБНИКИЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКАФОТО-ПИТЕРНАСТРОИ СЫТИНАРАДИОСПЕКТАКЛИКНИЖНАЯ ИЛЛЮСТРАЦИЯ

 

Яндекс.Метрика


Творческая студия БК-МТГК 2001-3001 гг. karlov@bk.ru