Определение коэффициента трения (адгезионного/скользящего трения)

Коэффициент трения — это фундаментальное понятие в физике, измеряющее, насколько две поверхности сопротивляются скольжению друг относительно друга. Это безразмерное число, представляющее собой отношение силы трения к нормальной силе, прижимающей поверхности друг к другу.

Существует два основных типа коэффициентов трения:

• Коэффициент статического трения: Этот показатель применяется, когда поверхности не движутся относительно друг друга (находятся в состоянии покоя). Обычно он выше, чем кинетический коэффициент. Сила статического трения не постоянна; она имеет максимальное значение. Поэтому для того, чтобы начать движение тяжелого ящика, требуется больше силы, чем для поддержания его движения.
• Коэффициент кинетического (или скользящего) трения: Этот коэффициент применяется, когда поверхности уже скользят относительно друг друга. Сила трения приблизительно постоянна. Как правило, коэффициент кинетического (или скользящего) трения ниже коэффициента статического трения (обычно на 10-30 процентов), поэтому объекты, как правило, ускоряются немного легче после начала движения.

Коэффициенты варьируются в зависимости от шероховатости поверхности, чистоты, смазки, температуры и скорости. Значения являются приблизительными и могут значительно отличаться в реальных условиях. Ниже приведены типичные диапазоны (для сухих поверхностей, если не указано иное):

• Лед по льду или тефлон по тефлону: коэффициент трения 0,04-0,1 (очень скользко).
• Сталь о сталь (сухое трение): коэффициент статического трения 0,7-0,8, коэффициент кинетического трения 0,4-0,6.
• Сухой бетон на резине (например, автомобильные шины): коэффициент статического трения 0,8-1,0, коэффициент кинетического трения 0,6-0,8.
• Трение дерева о дерево: коэффициент статического трения 0,4-0,6, коэффициент кинетического трения 0,2-0,4.
• Трение металл о металл (смазка): коэффициент кинетического трения может быть снижен до 0,05-0,15.

Трение на микроскопическом уровне представляет собой удивительно сложный процесс (включающий шероховатость поверхности, адгезию и иногда смазывающие пленки), поэтому для получения реальных значений часто требуются экспериментальные измерения, а не полагаться исключительно на табличные данные.

Коэффициент трения объясняет явления повседневной жизни, от того, как обувь сцепляется с землей и как работают тормоза, до того, как смазочные материалы уменьшают износ в двигателях и почему некоторые материалы создают хорошие нескользящие поверхности.

Коэффициент трения измеряется с использованием различных экспериментальных методов в точных, стандартизированных лабораторных процедурах. Выбор метода зависит от материала (например, пластмассы, металлы, бумага, напольные покрытия, резина), от того, требуются ли статические или кинетические значения, и от требуемой точности.

• Метод наклонной плоскости (распространенный в лабораториях): Этот метод является одним из самых простых и классических способов измерения коэффициента статического трения. Блок или предмет помещается на плоскую плоскость (например, дерево, металл или другой интересующий материал). Угол наклона плоскости постепенно увеличивается до тех пор, пока объект не начнет скользить. В момент начала скольжения гравитационная составляющая, параллельная плоскости, равна максимальной силе статического трения. Для кинетического трения угол можно регулировать таким образом, чтобы объект скользил с постоянной скоростью (требуется тщательный контроль или небольшая вибрация для преодоления эффекта «прилипания-скольжения»).
• Метод горизонтального перемещения/санок (наиболее распространенный промышленный метод): Этот метод лежит в основе многих стандартов и использует утяжеленные сани (или блок), перемещаемые по поверхности. Один материал прикреплен к неподвижной горизонтальной плоскости, а другой — к саням известного веса. С помощью динамометра, тензодатчика или универсальной испытательной машины сани перемещаются горизонтально с постоянной скоростью. Измеряются пиковая сила, необходимая для начала движения (статическое трение), и постоянная сила во время скольжения (кинетическое трение). Скорость обычно контролируется (например, 150 мм/мин во многих стандартах). В испытаниях используются машины для измерения коэффициента трения, устройства для измерения трения или универсальные испытательные машины с приспособлениями для измерения коэффициента трения. Этот метод используется в двух наиболее часто цитируемых международных стандартах:
• Стандартный метод испытаний «ASTM D1894 Стандартный метод определения коэффициентов статического и кинетического трения пластиковых пленок и листов» широко используется для упаковочных пленок, ламинатов и листов. Ползунок перемещается вдоль фиксированной плоскости или в противоположном направлении. Этот стандарт впоследствии был отменен, но продолжает использоваться в качестве эталона.
• Стандарт «ISO 8295 Пластмассы — Пленки и листы — Определение коэффициентов трения» аналогичен стандарту ASTM D1894, но имеет некоторые различия в размере выборки, использовании пружин и процедуре. Результаты, полученные с помощью этих двух стандартов, не являются напрямую сопоставимыми.
• Стандарт «TAPPI T 549 Определение коэффициентов статического и кинетического трения немелованной писчей и печатной бумаги с использованием метода горизонтальной плоскости» описывает процедуру, применяемую в горизонтальной плоскости для определения коэффициентов статического и кинетического трения, измеряемых при скольжении бумаги по самой себе.
• Метод пружинных весов/силометра: это практический вариант горизонтального растяжения. К объекту прикрепляются пружинные весы или цифровой силометр. Объект растягивается с постоянной скоростью параллельно поверхности. Сила считывается непосредственно перед началом движения (статическое) и во время постоянного скольжения (кинетическое). Полученное значение делится на нормальную силу (обычно вес), чтобы получить коэффициент трения. Этот метод широко используется при полевых инспекциях.
• Трибометрические методы (усовершенствованные/специализированные): Современные трибометры обеспечивают высокую точность, контроль нагрузки, скорости, среды (сухая, масляная, температура) и иногда многократные проходы. Они имеют штифтово-дисковый, шарово-плоскостной или линейно-возвратно-поступательный механизмы (например, для металлов, покрытий, полимеров). Портативные трибометры используются для грунтовых/дорожных поверхностей. Для определения сопротивления сдвигу используется стандарт «ASTM E303 Стандартный метод испытаний для измерения свойств поверхностного трения с использованием английского маятникового тестера». Для определения влажного/сухого сдвига используется стандарт «ASTM C1679 Стандартная методика измерения кинетики гидратации гидравлических цементных смесей с использованием изотермического калориметра».

В промышленных условиях используются стандарты ASTM D1894 или ISO 8295, а для получения надежных и воспроизводимых данных применяется специализированное устройство для измерения коэффициента трения.

На протяжении многих лет наша организация, располагающая компетентным и опытным персоналом, понимает потребности своих клиентов, предоставляет им необходимые передовые услуги по тестированию и оказывает помощь в создании, внедрении и совершенствовании систем управления. В рамках этой деятельности мы также предоставляем предприятиям услуги по определению коэффициента трения (адгезии/фрикционного трения скольжения).