Лекции по Электрическому приводу

1.2. Гравитация

Кроме того, что масса является мерой инертности тела, любая масса является источником гравитационного поля, посредством которого осуществляется взаимодействие масс. Гравитационные силы самые слабые из всех сил, известных науке, но, тем не менее, при наличии больших масс (например, Земля) эти силы во многом предопределяют поведение физических систем. Количественно гравитационные взаимодействия описываются законом всемирного тяготения Ньютона:

, (1.1)

где G = 6,67·10^-11 Н·м²/кг² – гравитационная постоянная;

m₁, m₂ – массы взаимодействующих тел;
r – расстояние между массами.
Пропорциональность сил тяготения массе приводит к тому, что ускорение, приобретаемое в данной точке гравитационного поля различными телами, для всех тел одинаково (конечно, если на эти тела не действуют никакие другие силы – сопротивление воздуха и т.д.). Если рассматривать движение тел под действием силы тяжести Земли, то это движение будет равноускоренным – ускорение будет постоянно по величине и по направлению. Все отклонения от постоянства ускорения имеют те или иные конкретные причины – вращение Земли, ее несферичность, сопротивление воздуха или иной среды, наличие электрических или магнитных полей и т.д. Постоянство ускорения – это возможность определения массы посредством измерения веса, т.е. это часы, датчики времени и т.д.

1.3. Трение и износ

Трение представляет собой силу, возникающую при относительном перемещении двух соприкасающихся тел в плоскости их касания. Различают силы трения качения, трения скольжения и трения покоя. Ввиду зависимости сил трения от многих, порой очень трудно учитываемых факторов, предпочитают пользоваться феноменологической теорией трения, описывающей в основном факты, а не их объяснения.
Феноменологическая теория трения базируется на представлении о том, что касание твердых тел имеет место лишь в отдельных пятнах, на которых действуют силы диффузии, химической связи, адгезии и т.п. При скольжении каждое пятно касания (так называемая фрикционная связь) существует ограниченное время. Сумма всех сил, действующих на пятна касания, усредненная по времени и по поверхности носит название силы трения. Продолжительность существования фрикционной связи определяет такие важные величины, как износостойкость, температуру пограничного слоя, работу по преодолению сил трения. Характерно, что при трении наблюдаются значительные деформации пограничного слоя, сопровождающиеся структурными превращениями и избирательной диффузией. Учет всех этих процессов затруднен из-за сильной зависимости от температуры, которая на пятнах касания возрастает очень быстро и может достигать несколько сот градусов.
Обычно трение качения, при котором основная работа затрачивается на передеформирование материала, много меньше трения скольжения. Но как только скорость качения достигает скорости распространения деформаций, трение качения резко возрастает; поэтому при больших скоростях предпочтительнее наличие трения скольжения. Трение покоя (так называемое «залипание») больше трения движения, и этот факт снижает чувствительность точных приборов. Избавиться от этого недостатка можно, например [4], конструктивным выполнением втулки подшипника из пьезоэлектрического материала и покрытие ее электропроводящей фольгой, по которой пропускают переменный ток, заставляющий вибрировать пьезоэлектрик. Таким образом, трущиеся элементы конструкции совершают колебания, и трение покоя заменяется трением движения, увеличивая чувствительность прибора.
Установлено, что при достаточно сильном облучении одной из трущихся поверхностей ускоренными частицами (например, атомами гелия) коэффициент трения падает в десятки и даже сотни раз, достигая сотых и тысячных долей единицы. Для возникновения эффекта сверхнизкого трения необходимо, чтобы процесс трения осуществлялся в вакууме. Переход в состояние сверхнизкого трения может осуществляться далеко не всеми телами. Этой способностью обладают вещества со слоистой кристаллической структурой. Исследования показали, что очень тонкий поверхностный слой вещества при совместном действии трения и облучения испытывает сильную ориентацию, благодаря чему его структурные элементы располагаются параллельно плоскости контакта, за счет чего сильно уменьшается способность вещества образовывать сильные адгезионные связи. Роль облучения сводится к очень интенсивной очистке поверхности контакта от примесей и от молекул воды, препятствующих ориентации. Водная пленка к тому же сама является источником сильных адгезионных связей.
Износом называется изменение размеров, формы, массы технического объекта или состояния его поверхности вследствие остаточной деформации от постоянно действующих нагрузок либо из-за разрушения поверхностного слоя при трении.
Трение и износ обычно считаются неразрывно связанными явлениями. Однако конструктивное решения подшипника, предложенное Крагельским И.В. и Гаркуновым Д.Н. [4], позволяет разъединить это невыгодное содружество и говорить об эффекте технической безизносности.
Рассмотрим подшипник на основе пары «сталь – бронза» с глицериновой смазкой. Глицерин, протравливая поверхность бронзы, способствует покрытию ее рыхлым слоем чистой меди, атомы которой легко переносятся на стальную поверхность. При работе устанавливается динамическое равновесие – атомы меди летают туда и обратно, и износа практически нет, ибо медный порошок прочно удерживает глицерин, который в свою очередь, защищает медь от кислорода. Таким образом, практически ликвидируется самый опасный вид износа – схватывание. В авиации уже испытаны бронзовые амортизационные буксы в стальной стойке шасси самолета.