Борьба за скорость
Шрифт:
На то, чтобы его преодолеть, тратится энергия.
Это потерянная для нас энергия — она переходит в тепло и расходуется на износ. Вот почему мы и стремимся уменьшить трение, которое разрушает наши машины.
Но не только шероховатость поверхностей — причина трения.
Казалось бы, чем лучше обработана поверхность, тем меньше должно быть и трение. Это и в самом деле бывает так. Но — до известного предела.
Между двумя очень гладкими поверхностями, где трения почти не должно быть, оно, наоборот, получается колоссальным. Гладкие полированные пластинки прилипают друг к другу. Иногда удается даже сварить два гладких металлических брусочка под прессом, не плавя металл.
Значит, дело не только в микроскопических зазубринках поверхности,
Там, где поверхности соприкасаются друг с другом, появляются силы взаимодействия, сцепления молекул.
Чем глаже поверхность, тем плотнее они сомкнутся, тем сильнее эти молекулярные силы. Выходит, чересчур большая гладкость не уменьшает, а увеличивает трение.
Трение: (1) сухое и (2) жидкостное (увеличение).
Однако, как не бывает идеально гладкой, так и не бывает и идеально чистой поверхности. Поверхностные молекулы имеют соседей не со всех сторон и поэтому, как мы уже знаем, могут притягивать молекулы из окружающей среды. Поверхность служит своеобразной ловушкой для молекул газов, паров, жидкостей. Поверхностный слой состоит из разрушенных обработкой и трением кристаллов металла, обладающих повышенной активностью. Он легко окисляется — даже нержавеющая сталь и золото могут покрываться пленкой окислов, когда поверхность разрушается трением. И продукты износа — металлический порошок — это не чистый металл, а крупинки его, покрытые «скорлупой» окисей.
Всегда металл покрыт тончайшей пленкой окисей и захваченных молекул. Выходит, сухого трения, трения металла о металл в чистом виде не бывает.
Трение, когда одна поверхность движется, скользит по другой, названо трением скольжения. Это самый большой враг машин, быстро разрушающий металл. Чтобы побороть его, нужно тратить много энергии.
Этому врагу ученые и инженеры объявили войну.
Чтобы трущиеся поверхности не истирались, их нужно разъединить, ввести посредник, который уменьшил бы трение. Такой посредник — смазка.
Масло прилипает к поверхностям, не дает им касаться друг друга, и, вместо «сухого» трения металла о металл, возникает трение «жидкостное» между отдельными слоями смазки. А оно во много раз меньше.
Русский ученый почетный академик Н. П. Петров, разработавший основы теории жидкостной смазки, подчеркивал, что «если жидкий слой, смазывающий два твердых тела, вполне отделяет их друг от друга, то непосредственного трения твердых тел уже очевидно не может быть».
На вал надета втулка. Она неподвижна, на нее опирается вал. В маленький зазор между валом и втулкой непрерывно поступает смазка. Это подшипник скольжения, где трение уменьшается смазкой, которая подается через смазочное отверстие втулки и заполняет зазор. Под действием переменных нагрузок вращающийся вал колеблется, а потому расстояние между втулкой и валом получается переменной величины.
Почему масло обладает удивительной способностью — уменьшать трение?
Даже очень тонкая масляная пленка разделяет трущиеся поверхности и выдерживает нагрузку, которая к ним приложена.
Действие «снегового» клина.
Сани легко скользят по снегу. Их полозья выдерживают вес саней и всего, что в них находится. Но видано ли, чтобы сани ехали по снегу задом наперед? Нет, так не бывает. Под передним загнутым краем полоза образуется клиновой зазор, куда подминается снег. Снег уплотняется, и «снеговой»
А теперь вернемся к подшипнику скольжения. В нем тоже есть клиновой зазор — между валом и втулкой. Туда тоже — только уже не подминается, а нагнетается масло. Вязкое, прилипающее к металлу масло трудно сжимаемо. Попав в клиновой зазор, оно приподнимает втулку, которая и всплывает в масле. Масляная пленка разделит трущиеся поверхности, не даст им соприкасаться, возьмет на себя нагрузку, приобретет, как говорят, «несущую способность». Это приводит к уменьшению трения.
Но здесь не все обстоит просто. Даже тончайший слой смазки, толщиной всего в несколько молекул, действует как клин, раздвигая трущиеся поверхности. Трение уменьшается. Однако в то же время молекулы смазки ухитряются попадать довольно глубоко внутрь поверхностного слоя, в сверхмикроскопические трещинки. Тем самым разрушается, портится поверхность, увеличивается износ.
При трении молекулы металлов, оказывается, путешествуют — переносятся с одной трущейся поверхности на другую, внедряются в нее.
Так можно было заметить, что внутрь стального вала попадают молекулы бронзы, точнее, тех элементов, из которых бронза состоит. Они пробирались туда даже через слой масла.
Подшипник скольжения.
Стальная шейка вала при работе подшипника нагревается неравномерно — местами сильнее, местами слабее, почему и говорят о «местном» перегреве. И когда масло попадает в перегретую зону, оно разлагается, выделяя углерод. На маленьком участке поверхность дополнительно науглероживается. Но затем сильно нагретая крохотная стальная площадочка быстро охлаждается: перегрев возникает и исчезает, появляясь в разных местах. Науглероженная сталь, таким образом, подвергается закалке, твердость маленького участочка шейки повышается.
Тут же рядом может происходить обратное явление: если нагретая стальная поверхность охлаждается медленнее, — а так тоже бывает, — тогда твердость стали понижается.
Это приводит к тому, что появляются места, резко отличные по свойством друг от друга. Поверхностный слой коробится, кусочки его выламываются. Конечно, перед этими словами надо поставить еще «микро» — микрокоробление, микрокусочки, ибо речь идет о крошечных участках металла.
Кроме того, стальная поверхность шейки подвергается нападению кислорода, который врывается в масляный слой подшипника и окисляет ее. На нее действуют и различные химические соединения, имеющиеся в масле, причем по-разному — в зависимости от условий работы подшипника. Выходит, стальная шейка уже становится не такой, что была раньше. На ней — и пленки окислов, и различные химические соединения. Кусочки их отламываются, затрудняя скольжение. Может даже случиться «заедание» трущихся поверхностей, с которыми происходят такие превращения.
Все это очень осложняет картину трения, затрудняет ее объяснение.
Смазка помогает бороться с трением, заменяя сухое трение жидкостным, уменьшая потери энергии.
Действие смазки в подшипнике скольжения.
Но есть и другой путь борьбы. Избавиться от трения скольжения и заменить его другим, во много раз меньшим — трением качения.
На вал плотно надето кольцо. Вместе с валом оно вращается. Другое кольцо, побольше диаметром, неподвижно. Между кольцами по канавкам катятся шарики или ролика. Вместо скольжения вала во втулке — качение шариков по канавкам. Это — подшипник качения. В нем скольжение заменено качением. И трение поэтому уменьшается.