Трение скольжения и его учёт в расчёте строительных конструкций

   В расчётах строительных конструкций учитывают и трение. Например, при расчёте незаглубленных фундаментов на сдвиг.

 

   Различают трение скольжения и трение качения.

   Трение скольжения - сопротивление, возникающее при попытке сдвинуть тело по шероховатой поверхности другого тела.

   Трение качения - сопротивление, возникающе при попытке катить колесо по поверхности.

   Трение скольжения обусловлено шероховатостью и деформацией поверхностей, а также наличием молекулярного сцепления у прижатых друг к другу тел.

   (Наличием сил сцепления неровностей соприкасающихся поверхностей (уменьшаются при улучшении качества обработки соприкасающихся поверхностей) и сил взаимодействия пограничных слоёв соприкасающихся тел (увеличиваются с улучшением качества обработки)).

   Трение скольжения сопровождается изнашиванием (отделением материала) или остаточной деформацией материала и нагревом трущихся поверхностей тел.

    (При трении в той или иной степени происходит преобразование механического движения в другие формы движения материи (например, в тепловую форму движения), и происходит нагревание взаимодействующих тел (механическая энергия превращается во внутреннюю энергию соприкасающихся тел)).

   Трение характеризуется силой трения, приложеной в точке контакта к сдвигаемому телу и направленной в сторону, противоположную направлению движения.

 

   Сила трения - сила сопротивления относительному перемещению двух тел при трении (возникающая между соприкасающимися телами при их относительном движении).

   Силами трения называются тангенциальные взаимодействия (силы) между соприкасающимися телами, возникающие при их относительном перемещении, стремящиеся препятствовать ему.

   Силы трения проявляются при относительном перемещении соприкасающихся тел и направлены против вектора относительной скорости тангенциально к поверхности соприкосновения.

 

 

   Три основных закона трения скольжения (законы Кулона):

 

   В первом приближении силы трения (при сухих и слабо смазанных поверхностях) подчиняются законам Кулона:

   1) Сила трения не зависит от величины площади трущихся поверхностей

      (если площадь трущизхся поверхностей увеличится, то количество сцепляющих неровностей увеличится, но уменьшится величина давления на единицу площади, и сопротивление относительному перемещению останется прежним)

   2) Максимальная сила трения прямо пропорциональна нормальному давлению соприкасающихся тел (нормальной составляющей внешних сил, действующих на поверхности тела)

(Чем больше сила давления тел друг на друга (вес конструкции, сила реакции опоры), тем больше сила трения)

 

   3) Сила трения зависит от материала тел, состояния трущихся поверхностей, наличия и рода смазки

   Сила трения также зависит от скорости относительного движения

 

 

   Сила трения может принимать значения от нуля до величины предельной силы трения. 

   Максимальное значение сила трения покоя имеет в момент начала относительного движения (сдвига) (Это значение называется силой трения покоя или наибольшей (предельной) силой трения покоя).

   Величина силы трения скольжения может быть рассчитана по формуле:

   где f  (или μ) - коэффициент трения, зависящий от материала, качества обработки и физического состояния (температура, влажность) соприкасающихся поверхностей.

 

   Величина, характеризующая трущиеся поверхности, называется коэффициентом трения.

 

   Коэффициент трения - величина отношения силы трения Fтр к нормальной составляющей внешних сил N.

(при наибольшей силе трения покоя это отношение называют и коэффициентом сцепления)

 

   Коэффициент трения зависит от природы и качества обработки трущихся поверхностей, а также от скорости.

   Коэффициенты трения определяются экспериментально.

   В состоянии покоя и при малых скоростях движения имеет место статический коэффициент трения. При больших скоростях движения для некоторых веществ динамический коэффициент трения может значительно изменяться, и, в общем случае, является функцией от скорости.

   Угол трения - предельный угол между полной реакцией R шероховатой поверхности и нормалью к ней.

   Коэффициент трения скольжения f равен тангенсу угла трения.

 

   Некоторые значения коэффициентов трения скольжения (при покое) приведены в строительных нормах.

 

 

   Типы трения скольжения

 

   Если между телами отсутствует жидкая или газообразная прослойка (смазочный материал), то такое трение называется сухим. В противном случае, трение называется «жидким». Характерной отличительной чертой сухого трения является наличие трения покоя.

 

   По физике взаимодействия трение скольжения подразделяют на:

      1) Трение без смазочного материала (Сухое трение)

            - Сухое трение - это трение, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазочными материалами. Характерная отличительная черта сухого трения - наличие значительной силы трения покоя.

 

      2) Трение в условиях смазки

            - Сухое трение с сухой смазкой (графитовым порошком)

            - Жидкостное трение, при взаимодействии тел, разделённых слоем жидкости или газа (смазочного материала) различной толщины (как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость)

            - Смешанное трение, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения

            - Граничное трение, когда в области контакта могут содержаться слои и участки различной природы (оксидные плёнки, жидкость и т. д.)

Учёт трения в расчётах сооружений:

 

   1) Учёт трения при сдвиге:

   Если сила, стремящаяся сдвинуть сооружение оказывается больше силы трения, сооружение устойчиво против опрокидывания, и опорные связи позволяют такое движение (например, в случае, когда фундаментные расположены на ж.б. плите без анкеровки), тело будет скользить по опорной плоскости.

   При анализе возможности сдвига сооружения следует принимать уменьшающие коэффициенты к нагрузке и использовать наиболее невыгодное для сдвига сочетание нагрузок. 

   2) Учёт трения в резьбовых соединениях:

   При взаимном перемещении болта и гайки с прямоугольной резьбой, резьбу винта можно рассматривать как наклонную плоскость, угол наклона которой равен углу подъема винтовой линии. Трение в резьбе, имеющей прямоугольный или трапецеидальный профиль подобно движению в клинчатом ползуне. При прочих равных условиях, трение в клинчатом ползуне больше трения на плоскости.

   3) Учёт трения при земляных работах:

   Угол естественного откоса сыпучего тела (наибольший угол, который может составляет с горизонтом плоскость, образованная сыпучее тело) равен углу трения между его частицами.

   4) Учёт трения в узлах:

   - сила трения при скольжении верёвки (каната, троса, швартовых, тали), навитой (намотанной) на трубу (цилиндр-сваю, фрикционное колесо, ворот, кабестан, тумбу) 

   Такая сила может достигать большой величины: чем больше число оборотов каната, тем трение больше (с увеличением числа оборотов верёвки (каната, троса, швартовых, тали) в арифметической прогрессии максимально возможная сила трения возрастает в геометрической прогрессии).

   Данный факт используется, например, при прикреплении судов на пристанях, при подъёме силы кранов с наматывающимся тросом)

   Зависимость силы трения от числа оборотов (витков) верёвки вокруг сваи выражается формулой Эйлера (механика трения качения в витках):

   где f - сила (усилие), вызывающая трение

         e - основание натуральных логарифмов (число 2,718...)

         k - коэффициент трения между верёвкой (канатом, тросом, швартовами, талями) и наматывающей поверхностью (цилиндром-сваей, фрикционным колесом, воротом, кабестаном, тумбой)

         α - «угол навивания», т. е. отношение длины дуги, охваченной верёвкой, к радиусу этой дуги.

 

   Таким же образом крепость узлов верёвки (каната, троса) зависит главным образом от трения. И, когда верёвка (канат, трос) обвивается вокруг себя, сила трения усиливается подобным образом (с увеличением числа оборотов в арифметической прогрессии максимально возможная сила трения возрастает в геометрической прогрессии).

Для более глубокого изучения: ссылка