Tření

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Tento článek je o mechanice. O rybách pojednává článek tření (ryby).

Jako tření označujeme vznik tečné síly ve styčné ploše mezi dvěma tělesy. Tečná třecí síla je reakcí na tečnou složku sil působících na těleso a působí vždy proti směru vzájemného pohybu (příp. proti změně klidového stavu u klidového tření). Práce potřebná k překonání této síly se mění převážně v teplo (přesněji řečeno v přírůstek vnitřní energie, což se projeví zpravidla zvýšením teploty), třecí síla je proto silou disipativní.

Rozlišení druhů tření
Průběh odporových sil v závislosti na rychlosti

Tření se liší podle skupenství stýkajících se těles. Vznik sil ve styčné ploše mezi dvěma pevnými tělesy nazýváme smykovým třením (případně pouze třením, nehrozí-li záměna s jinými druhy). Tření povrchu pevných těles s kapalinami nebo plyny se označuje jako odpor prostředí. Tření mezi částicemi či vrstvami tekutin se nazývá vnitřním třením (či přeneseně podle jeho projevu vazkostí či viskozitou, což jsou správně pojmy vyhrazené pro charakteristickou veličinu tohoto jevu).

Tento článek se soustředí na odporové síly při styku dvou pevných těles. Pro odpor prostředí a vnitřní tření platí pro ně zcela rozdílné vztahy a jsou jim věnovány samostatné články. Samostatný článek je věnován také valivému odporu, dříve nevhodně nazývanému valivé tření, ač se jedná o jev odlišné fyzikální podstaty.

U smykového tření (též suchého tření či Coulombova tření) rozlišujeme:

  • tření v klidu – statické tření (používá se index 0)
  • tření za pohybu – kinematické tření, je zpravidla menší než tření v klidu (obvykle o 20 ÷ 25 %)

Velikost tření[editovat | editovat zdroj]

Velikost třecí síly (nebo ) mezi dvěma rovinnými povrchy se řídí empirickými pravidly, zvanými Amontonsovy zákony tření[pozn. 1]:

  • Velikost třecí síly je u kinematického tření přímo úměrná kolmé tlakové síle (nebo ). 1. Amontonsův zákon lze tedy zapsat vztahem
,
který je zároveň definičním vztahem pro činitel smykového tření označovaný nebo. Závislost přímé úměrnosti platí s velmi dobrou přesností pro velký rozsah kolmé tlakové síly i velký rozsah rychlostí posuvného pohybu po rovině pro různé kombinace stýkajících se materiálů.[pozn. 2]
Také mezní síla statického tření, která je schopná bránit uvedení tělesa z klidu do posuvného pohybu po rovině, je přímo úměrná kolmé tlakové síle:
,
kde f0 je tzv. činitel klidového tření, tímto vztahem definovaný.
  • Velikost tření nezávisí na velkosti stykové plochy (pokud stykový tlak nepřestoupí pevnostní meze materiálů).

Dalším empirickým pravidlem pro tření je tz. Coulombův zákon tření:

  • Tření za pohybu (přesněji velikost třecí síly u kinematického tření) není závislé na rychlosti.
Smykové tření splňující toto pravidlo se v technické praxi nazývá také „suché“ tření, protože zákon neplatí pro styk dvou těles promazaných tekutým mazivem nebo pro povrchy nedokonalé tuhosti, měnící s pohybem svou povrchovou mikrostrukturu a tím i své třecí vlastnosti.

Těleso na vodorovné rovině[editovat | editovat zdroj]

Pokud na těleso nepůsobí žádná vodorovná síla, působí na ně pouze síly svislé, kolmé na stykovou plochu (normálové), tedy tíha tělesa a reakce na ni . Žádná třecí síla nepůsobí. Jakmile začne na těleso působit vodorovná síla , začne také působit stejně velká třecí síla jako reakce na ni. Když síla dosáhne hodnoty , kde je činitel klidového tření, začne se těleso pohybovat. K dalšímu rovnoměrnému pohybu pak postačí síla . Třecí síla tak představuje vodorovnou složku reakce na sílu . Výslednicí složek a je reakce , která je od normály odkloněná o úhel , jehož velikost je a který se nazývá třecí úhel. (Rovnovážný vektorový obrazec tak tvoří síly .)

Vektorový rozbor tření na vodorovné ploše
Vektorový rozbor tření při působení obecné síly

Znázornění tření pomocí třecího úhlu, tj. odkloněním normálové reakce o tento úhel proti směru pohybu nebo proti síle, která má těleso do pohybu uvést, je základem grafického řešení mechanismů, kde se tření uplatňuje.
Například, pokud se působiště síly posune od stykové roviny o míru posune se působiště reakce směrem dopředu (nositelky všech sil se protínají v bodě O). V případě, že vzdálenost od stykové plochy dosáhne hodnoty , se těleso nezačne posouvat, ale začne se překlápět, protože působiště reakce (bod R) se dostane mimo stykovou plochu. Na rovnovážný vektorový obrazec nemá poloha působiště síly vliv (velikost sil zůstane zachována).

Pokud síla působí v obecném směru tj. pod úhlem , pak se její normálová složka přičte ke složce .

Činitel smykového tření[editovat | editovat zdroj]

Činitel smykového tření je fyzikální veličina, která udává poměr třecí síly a kolmé tlakové síly mezi tělesy při smykovém tření.

Hodnota činitele smykového tření závisí na konkrétní dvojici látek na povrchu a drsnosti těles, mezi nimiž smykové tření probíhá. Pro případy, kdy platí Amontonsovy zákony tření, se hodnoty činitele pohybují od nuly (prakticky žádné tření) a mohou být i několikanásobně vyšší než 1, tedy třecí síla mnohonásobně převyšuje kolmý tlak (např. silikonová pryž, využívaná pro výrobu pneumatik). Od r. 2012 je známo a experimentálně prokázáno, že v určitém malém rozsahu kolmého tlaku může být činitel smykového tření dokonce záporný.[pozn. 2]

Značení[editovat | editovat zdroj]

Příklady hodnot činitele smykového tření[editovat | editovat zdroj]

Rozhraní Součinitel tření[zdroj?]
ocel-ocel 0,1
ocel-dřevo 0,35
dřevo-dřevo 0,3
ocel-led 0,027
dřevo-led 0,035

Klidové tření[editovat | editovat zdroj]

Klidové tření (statické tření) je tření, vznikající mezi tělesy, která se vzhledem k sobě nepohybují - jsou v klidu. Jedná se o speciální případ smykového tření.

Klidová třecí síla Ft má velikost stejnou, jako tečná složka výslednice sil snažících se uvést stýkající se tělesa do vzájemného pohybu, a vzhledem ke své opačné orientaci je udržuje ve vzájemném klidu, pokud nepřesáhne maximální hodnotu, při které ke vzájemnému pohybu dojde. Pro tuto maximální klidovou třecí sílu platí vztah obdobný jako pro sílu kinematického tření:

,

kde f0 je činitel klidového tření, Fn je kolmá tlaková síla mezi tělesy (např. tíha tělesa). Klidové tření bývá větší než smykové tření mezi stejnými tělesy.

Činitel klidového tření[editovat | editovat zdroj]

Činitel klidového tření je fyzikální veličina, která udává poměr třecí síly a kolmé tlakové síly mezi tělesy při klidovém tření. Jeho hodnoty závisí na konkrétní dvojici látek na povrchu těles, mezi kterými má tření vznikat. Činitel klidového tření nemůže být z definice menší než činitel smykového tření pro stejná tělesa, jen výjimečně je stejně velký (např. pro materiálovou kombinaci teflon – teflon); pro většinu materiálových kombinací je přibližně o několik procent až desítek procent vyšší. Zpravidla platí, že pro dvě dané kombinace materiálů ve styku je činitel klidového tření vyšší právě když je vyšší i činitel smykového tření; obecně (pro všechny možné materiálové kombinace) však toto pravidlo neplatí.

Značení[editovat | editovat zdroj]

Příklad hodnot činitele klidového tření[editovat | editovat zdroj]

Rozhraní Činitel tření[zdroj?]
ocel-ocel 0,15
ocel-dřevo 0,65
pryž-led 0,15
pryž-mokrý asfalt 0,35
pryž-suchý asfalt 0,55

Stick-Slip efekt[editovat | editovat zdroj]

Pokud posouvající síla na těleso působí přes pružný prvek, to znamená, že síla na těleso plynule narůstá od nuly, nastane situace, kdy se po překonání klidového tření posune těleso tak daleko, kolik umožní nahromaděná energie pružného prvku. Pak se těleso zastaví a začne opět působit klidové tření, takže se situace neustále cyklicky opakuje. Výsledkem je trhavý pohyb posouvaného tělesa. Tento jev se nazývá Stick-Slip efekt (anglický výraz Stick-Slip znamená doslova „Drží-Klouže“). Tento jev působí například trhavý pohyb hydraulických a pneumatických válců zejména za nižšího tlaku. Také vrzání dveřních pantů má původ v tomto jevu. Naopak, například hraní na smyčcové nástroje je na tomto jevu založeno.

Vnitřní tření[editovat | editovat zdroj]

Související informace naleznete také v článku Vnitřní tření.

Mezi jednotlivými částmi tělesa může docházet (a u reálných těles také dochází) ke tření. Toto tření, ke kterému dochází uvnitř látky, se označuje jako vnitřní. Vnitřní tření se projevuje např. při proudění reálných kapalin. Fyzikální veličina charakterizující vnitřní tření se nazývá viskozita.

Poznámky[editovat | editovat zdroj]

  1. Amontonsovy zákony poprvé nastínil již Leonardo da Vinci. Guillaume Amontons publikoval jejich znovuobjevení v r. 1699. Vědeckou obcí však byly plně přijaty až po jejich experimentálním ověření Coulombem v r. 1781.
  2. a b Příkladem neplatnosti 1. Amontonsova zákona a záporného činitele smykového tření je případ velmi malé kolmé síly používané při mikroskopii atomárních sil na površích materiálů s vrstevnatou strukturou, např. grafitu. Při jejím zvyšování do určité hodnoty třecí síla klesá, což souvisí s přerozdělením sil mezi povrchovou vrstvou grafitu s adsorbovanými plyny a hlubší čistě uhlíkovou vrstvou (a není podmíněn tím, že smýkaný hrot mikroskopu není rovinný, což je podmínkou platnosti pravidla).[1][2]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. DENG, Zhao; SMOLYANITSKY, Alex; LI, Qunyang; FENG, Xi-Qiao; CANNARA, Rachel J. Adhesion-dependent negative friction coefficient on chemically modified graphite at the nanoscale. Nature Materials [online]. Macmillan Publishers Limited. Svazek 11, s. 1032–1037. Dostupné online. ISSN 1476-4660. DOI:10.1038/nmat3452. (anglicky) 
  2. NIST. At the nanoscale, graphite can turn friction upside down. Phys.org [online]. Dostupné online. (anglicky) 
  3. a b c d ČSN ISO 80000-4 Veličiny a jednotky - Část 4: Mechanika. Český normalizační institut, 1. duben 2007 (účinnost od 1. 5. 2007)

Související články[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]