Коли ви ступаєте по мокрому тротуару, а нога раптом вислизає, сила тертя відіграє ролі рятівника чи лиходія. Ця сила виникає між поверхнями тіл, що контактують, і протидіє їхньому відносному руху, перетворюючи кінетичну енергію на тепло. За законом Амонтона-Кулона її величина дорівнює добутку коефіцієнта тертя на силу нормальної реакції: F_тер = μ · N.
Уявіть ідеально гладкі поверхні без тертя – ми б не могли ходити, гальмувати авто чи навіть тримати олівок. Навпаки, надмірне тертя зношує деталі машин, краде пальне. Розберемося, як ця сила діє на атомному рівні й чому інженери мріють її приборкати.
Сила тертя спокою перешкоджає початку руху, ковзання – уповільнює його, а кочення робить колеса ефективнішими. Коефіцієнт μ коливається від 0,001 для графену до 1 для гуми по бетону, залежно від матеріалів.
Мікроскопічна природа сили тертя: від атомів до хаосу
Поверхні здаються гладкими, але під мікроскопом – це океан горбків, западин і молекулярних ланцюгів. Коли два тіла торкаються, реальний контакт – лише 0,1% площі, де атоми проникають у сусідні кристалічні ґратки. Тут спрацьовують електромагнітні сили адгезії, ніби магніти зчіплюють іржаві металеві стружки.
При спробі руху ці зв’язки розриваються нерівномірно: горбки деформуються, зчіплюються, ковзають. Енергія йде на ламання зв’язків, вібрацію атомів – і вуаля, тепло! Сила тертя не фундаментальна, а emergent – виникає з хаосу мікросвіту, розсіюючи макроенергію. Без цього ефекту Ньютона не довелося б долати опір у дослідах.
На нанорівні, як у скануючих тунельних мікроскопах, тертя падає до нуля в режимі суперлубрицитету – молекули ковзають без втрат. Це пояснює, чому лід такий слизький: тонкий водяний шар діє як мастило.
Види сили тертя: сухе, в’язке й усе між ними
Тертя поділяють на зовнішнє (між тілами) та внутрішнє (в рідинах). Зовнішнє буває сухим – без мастила, де домінує контакт твердих поверхонь. Воно включає тертя спокою (до початку руху, F_тер ≤ μ N), ковзання (F_тер = μ N, постійне) та кочення (F_тер = f · N / R, де f – коеф. кочення, R – радіус).
В’язке тертя діє в рідинах чи газах: опір пропорційний швидкості (F = b v за Стоксом) або її квадрату (F = 0,5 C ρ S v²). Самоліт мчить небом, долаючи цей опір обтічною формою. Змішане – комбо сухого з в’язким, типове для двигунів з частковим мащенням.
Ось ключові види для наочності:
- Тертя спокою: тримає стіл на місці, поки не подолаєш максимум μ_s N. Вище за ковзання на 20-30%.
- Ковзання: гальмує лижі по снігу, зношує гальма авто.
- Кочення: у тисячі разів менше ковзання – тому велосипеди крутяться самі.
- В’язке: парашут уповільнює падіння падаючий камінь.
Ці різниці пояснюють, чому вантажівки ставлять на домкрати для заміни коліс: кочення полегшує життя механікам.
Закон Амонтона-Кулона: формула, що править тертям
У 1699 Гійом Амантон помітив: тертя пропорційне вазі, незалежне від площі чи швидкості. Шарль Кулон у 1785 уточнив для різних матеріалів. Формула F_тер = μ N – серце триботології, науки про тертя.
N – нормальна реакція, для горизонтальної поверхні = mg cosθ. На похилій – менше, тому снігоплавильні лавини мчать швидше. μ не константа: росте з навантаженням через деформацію, падає з мастилом.
Для кочення формула складніша: момент тертя M_тер = f N, де f ~ 0,001-0,01 м. Розрахунок: для колеса R=0,3 м, f=0,005, N=1000 Н – F_тер ≈ 17 Н, проти 100 Н ковзанням!
Коефіцієнт тертя: таблиця значень і практичні нюанси
Коефіцієнт μ – безрозмірна величина, що залежить від пари матеріалів, температури, мастила. Ось таблиця типових значень для сухого контакту (за даними engineeringtoolbox.com):
| Пара матеріалів | μ спокою | μ ковзання |
|---|---|---|
| Сталь по сталі | 0,8 | 0,6 |
| Гума по бетону | 1,0 | 0,75 |
| Лід по льоду | 0,1 | 0,03 |
| Тефлон по тефлону | 0,1 | 0,04 |
| Графен по графену (суперлубрицитет) | <0,001 | <0,001 |
Джерела: engineeringtoolbox.com, uk.wikipedia.org. Ці дані допомагають обирати матеріали: гумові шини μ≈0,7 для зчеплення, але на мокрій дорозі падає до 0,4 – звідси аквапланування.
У вакуумі μ металів росте без адсорбованої води, що діє як мастило. Температура: до 100°C μ сталі падає на 20% через окислення.
Сила тертя в повсякденному житті: від ходьби до спорту
Кожен крок – танець з тертям: μ взуття-бетон ≈0,6 тримає вас вертикально. Футболісти накладають шипи для μ=1,0 на траві. Гальма авто: диски з μ=0,4 генерують 500 кВт тепла за гальмування з 100 км/год!
У спорті: лижники мажуть маззю для μ=0,02 на снігу. Велосипедисти накачують шини – менше деформація, менше тертя кочення. Навіть метелики махають крилами, долаючи в’язке тертя повітря.
- Розрахуйте силу тертя для 70 кг лижника на схилі 30° (μ=0,05, g=9,8).
- N = mg cos30° = 70·9,8·0,866 ≈ 595 Н; F_тер=0,05·595≈30 Н.
- Це дозволяє розгін до 100 км/год без ковзання.
Такий підхід робить фізику живою: наступного разу на лижах подумайте про Амантонa!
Тертя в техніці: як зменшити ворога й використати друга
Двигуни витрачають 30% пального на тертя – $1 трлн втрат щороку глобально. Підшипники кочення зменшують його у 50 разів. Мастила: олива формує в’язкий клин, графенові добавки – суперлубрицитет μ<0,01.
Маглеви: поїзди на магнітах без тертя сягають 600 км/год. У космосі: супутники без атмосфери мають μ вакууму, але зчеплення від мікрочастинок. Знос: тертя генерує абразив, тому покриття DLC (діамантоподібне) подовжують життя деталей у 10 разів.
Цікаві факти про силу тертя
Грейпфрутовий ефект: свіжий грейпфрут ковзає по столу з μ=0,3 – цитрусова олія мастить! У 2025 phys.org повідомили про directional superlubricity: тертя нульове в одному напрямку для графенових структур.
Леонардо да Вінчі першим (1519) намалював горбки поверхонь. Бджоли ходять по стелі з μ=2,5 завдяки волоскам. Тертя – причина 20% глобального енергоспоживання!
На Марсі пилові бурі з μ=0,4 блокують ровери NASA.
Сучасні тренди: суперлубрицитет і майбутнє без тертя
У 2025-2026 роках графен революціонує: багатошарові флекси досягають μ=0,0007 макроскопічно (Advanced Materials). Рідинний суперлубрицитет з іонними рідинами для двигунів – втрати пального мінус 15%.
AI моделює тертя на квантовому рівні, прогнозуючи знос турбін. У біомед: штучні суглоби з μ=0,01 імітують хрящ. Проблема масштабування: нано працює, макро – ні, але 2026 обіцяє прориви в авто та авіації.
Тертя не зникає, але ми вчимося його приборкувати – від Стародавнього Риму з оливленими колісницями до графенових двигунів завтрашнього дня.
Залишити відповідь