Трение в природе. Трение в технике

Кто-то из вас может спросить: «А зачем на трение?».

И, действительно, зачем? Ну, хотя бы потому, что без него было бы невозможно ни ходить по земле, ни держать предметы в руках. Трение играет важную роль в природе. Существуют разные случаи, когда необходимо либо увеличивать, либо уменьшать силу трения. Эволюция подарила нам удивительные примеры уменьшения трения через использование смазки между поверхностями и увеличения его при помощи природных «клеёв». Эти природные механизмы интересны не только сами по себе, но также помогают развивать инженерную мысль.

Так как же связана сила трения с процессом ходьбы у людей? Во время ходьбы человек отталкивается ногами от земли, и именно сила трения покоя позволяет ему двигаться вперёд.

Если бы этой силы не существовало, ноги просто скользили бы назад, делая передвижение невозможным. Когда мы идём по гладкому льду, наши ноги начинают скользить из-за слишком малого коэффициента трения. Для увеличения сцепления дорожки зимой посыпают песком.

Сила трения покоя также позволяет нам удерживать предметы в руках, предотвращая их скольжение.

Животные обеспечивают надёжное сцепление с землёй с помощью острых когтей или микроскопических неровностей, таких как щетинки, чешуйки или бугорки. Многие растения и животные имеют специальные органы с шершавыми поверхностями, которые увеличивают трение для более надёжного захвата. Примеры включают усики растений, хоботы слонов и цепкие хвосты лазящих животных.

Для примера посмотрим на гекконов. Гекконы — это маленькие ящерки, обитающие во многих уголках мира.

Они известны своей уникальной способностью перемещаться практически по любым поверхностям, включая вертикальные стены и потолки. Древние греки уже проявляли интерес к этим удивительным существам, выдвигая разнообразные гипотезы о механизме их передвижения. Однако разгадка пришла лишь после появления электронных микроскопов, позволивших детально исследовать структуру лапок гекконов.

Оказалось, что каждая лапка покрыта множеством тонких щетинок, число которых достигает 10 000 на квадратный миллиметр.

3

Более того, каждая такая щетинка делится на сотни ещё более мелких волокон. Эта структура создаёт значительное межмолекулярное взаимодействие, позволяющее геккону надёжно держаться на самых разных поверхностях. Тем не менее, геккон не буквально «прилипает» к стене. Он может свободно двигаться, поскольку щетинки способны легко отсоединяться при изменении угла наклона относительно поверхности.

Исследования структуры лапок гекконов вдохновили учёных на создание материалов с микро- и нановолокнами, обладающими аналогичными свойствами сцепления. Такие материалы находят применение, например, в роботах, способных подниматься по вертикальным стенам.

А теперь посмотрите на эту дорожку, которую оставила после себя улитка. Да, это слизь — это вязкая субстанция, вырабатываемая определёнными клетками живых организмов. Химический состав слизи варьируется в зависимости от вида организма, и она может использоваться как для увеличения, так и для снижения трения.

Например, у нашей улитки слизь выполняет функцию своеобразного клея, изменяющего свои свойства в зависимости от типа движения, становясь то более, то менее прочным.

Ещё одним интересным примером являются древесные лягушки. Выделяемая ими слизь помогает им карабкаться по деревьям, обеспечивая надёжное сцепление с корой. Более того, эта слизь способствует очистке лапок от загрязнений, прилипших к ним во время подъёма.

Однако слизь может выполнять и прямо противоположную задачу. Например, слизь, покрывающая все виды рыб, существенно снижает сопротивление воды при их плавании. Современные исследования показывают, что благодаря этому покрытию сопротивление воды снижается более чем на 50 %.

А теперь посмотрим в зеркало. Кого мы там видим? Правильно, себя. То есть человека. Человеческое и животное тело можно сравнить с механизмом, состоящим из множества взаимосвязанных элементов, способных координировать свои движения. Суставы, представляющие собой места подвижных соединений костей, имеют чрезвычайно гладкую поверхность, что помогает снизить трение и предотвратить износ. Помимо этого, внутренняя оболочка суставной полости выделяет особую синовиальную жидкость, выполняющую роль смазки между костями. Этот природный механизм снижения трения продолжает привлекать внимание исследователей, являясь ярким примером эффективного использования смазки и уникального строения тканей.

Для рыб и других водных существ снижение трения с водой играет ключевую роль. Помимо слизистого покрытия, которое уменьшает сопротивление воды, важную роль играют форма тела и особенности движений. Инженеры изучают эти биологические адаптации для создания эффективных подводных аппаратов.

Ещё одним любопытным способом уменьшения трения на границе с жидкостями является структура кожи акул. Её поверхность покрыта мелкими (0,2–0,5 мм) чешуйками с миниатюрными продольными гребешками. Такая особенность позволяет акулам достигать высоких скоростей и преодолевать значительные расстояния в поисках добычи.

Но не только в природе трение играет важную роль. Роль трения в технике тоже огромна. И, как в природе, оно может быть как полезным, так и вредным. Значительное количество технических решений направлено на увеличение полезного трения или уменьшение вредного. Примеры из живой и неживой природы часто становятся источником вдохновения для таких изобретений.

Одним из примеров полезного применения трения является узел. Все знают, что узлы используются для связывания верёвок, чтобы закрепить что-либо, завязывать шнурки на обуви или делать стежки при шитье.

Узлы остаются завязанными благодаря силе трения между волокнами материала, из которого они сделаны. Чем выше трение, тем крепче узел. Прочность узла зависит как от материала верёвки, так и от техники завязывания. В истории известны знаменитые морские узлы, которые активно использовались на парусниках. Важную роль узлы играют в ткачестве, швейном деле, рыболовстве и альпинизме.

В технической сфере нередко требуется резкое увеличение силы трения. Одним из ярких примеров такого применения является работа тормозной системы, предназначенной для снижения скорости или полной остановки механизмов и транспортных средств.

Помимо увеличения силы трения, в технике часто возникает необходимость её уменьшения. Движущиеся элементы механизмов подвержены износу и нагреванию из-за трения, поэтому снижение его воздействия становится важной задачей в инженерных разработках. Существует несколько способов уменьшения трения.

Например, вы знаете, что одной из основных причин трения является шероховатость контактирующих поверхностей. Для уменьшения трения применяют смазочные материалы (например, масла), которые наносят между трущимися элементами. Смазка предотвращает прямой контакт поверхностей, заменяя его взаимодействием слоёв смазки. Обычно в качестве смазки используется жидкость, так как трение между слоями жидкости гораздо меньше, чем между твёрдыми материалами. Это объясняет, почему мокрые поверхности более скользкие, чем сухие.

Смазочные материалы широко применяются в повседневной жизни. При создании смазочных веществ учитывается специфика работы тех или иных механизмов. Так, автомобильные моторные масла должны сохранять эффективность при температурах от –40 °C до +250 °C. Наукой, исследующей трение, смазывание и износ деталей машин, занимается трибология.

Другой эффективный метод снижения трения — использование подшипников. Подшипники — это устройства, служащие опорами движущихся частей машин и других механизмов и уменьшающие трение. Подшипники позволяют заменить трение скольжения на трение качения, что значительно уменьшает износ и потери энергии. Простые подшипники состоят из двух металлических колец — внутреннего и внешнего. Внутреннее кольцо насаживается на вал машины или другого механизма, а наружное кольцо закрепляется в корпусе.

Различают подшипники скольжения и подшипники качения.

В подшипнике скольжения вращающийся вал скользит по поверхности вкладыша, покрытого специальными материалами и смазочными веществами для снижения трения.

Принцип работы подшипника качения основан на том, что при равных нагрузках сила трения качения значительно меньше, чем сила трения скольжения. Подшипники качения делятся на два типа: шариковые и роликовые. В них внутреннее кольцо катится по внешнему кольцу на металлических шариках или роликах. Использование таких подшипников позволяет уменьшить трение в десятки раз.

Подшипники широко применяются в автомобилях, велосипедах, роликовых коньках, вентиляторах для персональных компьютеров, а также в большом разнообразии станков и других устройствах.

Ещё одним вариантом уменьшения трения служит применение воздушной подушки. Она находит широкое распространение в современных машинах и механизмах. В таких системах воздух под высоким давлением используется в качестве промежуточного слоя между движущимися поверхностями, что значительно снижает силу трения.

Например, в высокоскоростных подшипниках сжатый воздух применяется вместо традиционной смазки. Воздушная подушка устраняет непосредственный контакт между движущимися частями, заменяя трение скольжения почти полным отсутствием сопротивления. Такой подход применяется, например, в аэрохоккее, где шайба скользит над столом на воздушной подушке, создаваемой потоком воздуха из отверстий в игровой поверхности.

Одним из интересных примеров использования воздушной подушки являются суда на воздушной подушке. Некоторые из них способны выходить даже на сушу. Такие суда двигаются более плавно по сравнению с обычными лодками, ведь они фактически парят над водой, а не плывут сквозь неё. Катера на воздушной подушке одинаково эффективно работают как по течению, так и против него, отлично справляются с быстрым течением и представляют собой отличное средство спасения.

Кстати, концепцию движения поезда на воздушной подушке предложил российский учёный, основоположник космонавтики Константин Эдуардович Циолковский ещё в 1924 году.

Первый же катер на воздушной подушке был построен советским конструктором Владимиром Израилевичем Левковым в 1935 году.