1.2.6. Сила упругости

Рассмотрим статистические проявления действия сил, которые приводят к возникновению деформаций в твердых телах. Деформацией называется изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил. Различают упругие и пластические деформации. Деформация называется упругой, если она исчезает после прекращения действия внешних сил. Если же при этих условиях деформация остается, то она называется пластичной.

Под действием внешних сил частицы (атомы, молекулы) тела смещаются из своих положений равновесия, в результате чего внутри тела возникают упругие силы, которые стремятся вернуть частицы в прежние положения равновесия. При этом силы упругости уравновешивают внешние силы, приложенные к телу. Если внешние силы не превосходят некоторой величины, называемой пределом упругости тела, то вызываемые деформации будут упругими. В противном случае деформация становится пластичной.

Упругие деформации характеризуются напряжением. Напряжением в заданной точке O твердого тела называют силу упругости , с которой действуют одна на другую две части A и B этого тела на бесконечно малом участке ds поверхности их соприкосновения с центром в точке O, отнесенную к величине площади ds:

.

(2.14)

Рис. 2.4.

Разложим на две составляющие (рис. 2.4): . В соответствии с этим напряжение можно представить как векторную сумму нормального и тангенциального (касательного) напряжений: .

Опыт показывает, что в переделах упругой деформации смещение x пропорционально внешней силе:

,

(2.15)

где k – жесткость тела (например, пружины). Жесткость численно равна внешней силе, вызывающей единичную (x=1) деформацию.

В результате деформации тела в нем возникает сила упругости F. По третьему закону Ньютона , поэтому (2.15) принимает вид

.

(2.16)

Выражение (2.16), связывающее упругую силу F и деформацию x представляет собой закон Гука применительно к деформации линейного растяжения (или сжатия).

Многие силы, не являясь по природе упругими, формально подчиняются закону Гука (2.16). Такие силы называются квазиупругими. Характерные признаки квазиупругой силы: а) ее значение пропорционально смещению от положения равновесия; б) она всегда направлена к положению равновесия (об этом свидетельствует знак минус в формуле (2.16)).

1.2.7. Силы внешнего трения

Механическое сопротивление, возникающее в плоскости касания двух прижатых друг к другу тел при их относительном перемещении, называется внешним трением. По кинематическому признаку внешнее трение подразделяют на трение скольжение и трение качения (рис. 2.5). Иногда выделяют также трение верчения (например, для подпятников валов), однако по своей природе оно не отличается от трения скольжения.

По состоянию поверхностей взаимодействующих тел (пары трения) различают следующие виды трения:

1. Чистое трение – взаимодействие абсолютно чистых поверхностей, на которых отсутствуют какие либо посторонние вещества, в том числе и адсорбированный газ. Силы чистого трения можно изучать только на свежеобработанных поверхностях в глубоком вакууме. Силы чистого трения очень велики и приближаются к силам, необходимым для разрушения, разрыва тела. В обычных условиях чистое трение не осуществляется, однако в космической технике может быть существенным.

2. Сухое трение наблюдается при взаимодействии технически чистых, не смазанных поверхностей. Этот вид трения также характеризуется значительной силой трения и находит применение во фрикционных передачах, тормозах и др. Сухое трение приводит к значительному износу поверхностей пары трения и чрезвычайно опасно для подшипников, ползунов и т.д.

3. Граничное трение наблюдается в том случае, если поверхности пары трения разделены тонкой пленкой жидкой или консистентной смазки, толщина которой соизмерима с высотой микрошероховатостей твердых поверхностей. Граничное трение наблюдается при значительных контактных давлениях в момент пуска и остановок механизмов и вносит основной вклад в процессы их необратимого износа.

4. Гидродинамическое трение наблюдается в том случае, если детали пары трения разделены относительно толстым слоем смазки и не входят в непосредственный контакт. Фактически сопротивление при этом режиме определяется силами внутреннего трения (см. § 5.5), и оно незначительное, а износ деталей практически прекращается.