Շփում (ֆիզիկա)

Մակերևույթների անհարթությունների շփում առաջացնելու երևույթի ցուցադրում

Շփում, հպվող մարմինների մեխանիկական ազդեցություն, որը տեղի է ունենում մարմինների հպվող մակերևույթների հարաբերական շարժման (արտաքին շփում) կամ հեղուկների, գազերի ու դեֆորմացվող մարմինների ներքին զուգահեռ շերտերի փոխադարձ տեղաշարժի ժամանակ (ներքին շփում կամ մածուցիկություն)։

Սովորաբար շփում ասելով ի նկատի են ունենում արտաքին շփումը։

Շփումը հիմնականում էլեկտրոնային բնույթ ունի, եթե նյութը գտնվում է նորմալ վիճակում։ Գերհաղորդիչ վիճակում, կրիտիկական ջերմաստիճանից հեռու պայմաններում, շփման հիմնական աղբյուր են հանդիսանում ֆոնոնները, իսկ շփման գործակիցը փոքրանում է մի քանի անգամ։

Շփման գործընթացների ուսումնասիրությամբ զբաղվում է ֆիզիկայի բաժինը, որը կոչվում է շփումային փոխազդեցությունների մեխանիկա կամ տրիբոլոգիա (շփագիտություն)։

Շփման ուժ

Շփման ուժն առաջանում է երկու հպվող մարմինների հարաբերական շարժման ժամանակ և խոչընդոտում է նրանց շարժումը։ Շփման առաջացման պատճառը մակերևույթների խորդուբորդություններն են և մոլեկուլների փոխազդեցությունը։ Շփման ուժը կախված է նյութի տեսակից և նրանից, թե մարմիններ միմյանց ինչ ուժով են սեղմում։ Շփման պարզագույն մոդելներում (Կուլոնի օրենքը շփման համար) համարվում է, որ շփման ուժը ուղիղ համեմատական է շփվող մակերևույթների միջև նորմալ ռեակցիայի ուժին։ Ընդհանուր առմամբ, շփվող մարմինների փոխազդեցության գոտում տեղի ունեցող ֆիզիկաքիմիական գործընթացների բարդությամբ պայմանավորված՝ շփման գործընթացները սկզբունքորեն չեն ենթարկվում դասական մեխանիկայի պարզ մոդելների նկարագրությանը։

Ազատ մարմնի դիագրամ՝ թեքահարթակի վրա գտնվող բլոկի համար: I և J վեկտորներ են, որոնք նշում են ուժերի ուղղությունները և մեծությունները: N-ն նորմալճնշման ուժն է, mg-ն ծանրության ուժն է, իսկ Ff-ն `շփման ուժը:

Շփման ուժի տեսակներ

Շփման ուժերը բաժանվում են չորս տեսակների․

• Սահքի շփման ուժ, առաջանում է հպվող մարմինների հրաբերական շարժման ժամանակ, ուղղված է շարժման ուղղությանը հակառակ։
• Ճոճման շփման ուժ, առաջանում է շփվող/փոխազդող մարմիններից մեկի՝ մյուսի նկատմամբ ճոճվելու ժամանակ։
• Դադարի շփման ուժ, առաջանում է հպվող մակերևույթների միջև և խանգարում հարաբերական շարժմանը։ Այդ ուժը պիտի հաղթահարվի, որպեսզի շարժման մեջ դրվի մարմիններից որևէ մեկը։
• Գլորման շփման ուժ, ուժի մոմենտ է, որն առաջանում է հպվող մարմինների միջև՝ մարմիններից մեկի՝ մյուսի մակերևույթին գլորման ժամանակ, ուղղված է գլորման ուղղությանը հակառակ։ Որոշվում է $M=pN$, բանաձևով, որտեղ $N$ նորմալ ճնշումն է, $p$ գլորման շփման գործակիցն է, որն ունի երկարության չափայնություն։

Կիրառական նշանակություն

Շփումը մեխանիզմներում և մեքենաներում

Շատ ավանդական մեխանիզմներում (ներքին այրման շարժիչ, ավտոմեքենաներ, ատամնավոր մեխանիզմներ և այլն) շփումը բացասական դեր է խաղում՝ նվազեցնելով մեխանիզմի օգտակար գործողության գործակիցը։ Շփման ուժը նվազեցնելու համար օգտագործվում են բնական և սինթետիկ տարբեր յուղեր և քսանյութեր։ Ժամանակակից մեխանիզմներում այս նպատակով օգտագործվում են նաև պրոֆիլակտիկ ծածկույթներ (բարակ թաղանթ) դետալների վրա։ Մեխանիզմների մանր տարրերի և միկրոէլեկտրոմեխանիկական համակարգերի և նանոէլեկտրոմեխանիկական համակարգերի ստեղծմամբ շփման մեծությունը մեխանիզմի մեջ գործող ուժերի համեմատ մեծանում է և դառնում է շատ զգալի $(\mu ⩾1)$, և միևնույն ժամանակ չի կարող նվազեցվել սովորական քսուքների միջոցով, ինչն առաջացնում է տվյալ ոլորտի ինժեներների և գիտնականների զգալի տեսական և գործնական հետաքրքրություն։ Շփման խնդրի լուծման համար ստեղծվել են այն նվազեցնելու նոր մեթոդներ տրիբոլոգիայի և մակերեսի մասին գիտության բնագավառում։

Կառչում մակերևույթին

Շփման առկայությունը հնարավորություն է տալիս տեղաշարժվել մակերևույթի վրայով։ Այսպես երբ մարդը քայլում է, շփման շնորհիվ տեղի է ունենում ներբանի կառչում հատակին, որի արդյունքում տեղի է ունենում հրում հատակից, և մարդը շարժվում է առաջ։ Նմանապես այն ապահովում է անիվների մեքենայի կառչումը ճանապարհի մակերևույթին։ Մասնավորապես, կառչումը ավելի ուժեղացնելու համար մշակվել են ռետինե անվադողերի նոր ձևեր, իսկ մրցարշավների մեքենաների վրա տեղադրվում են հակաթևեր, որոնք ավելի ուժեղ են սեղմում մեքենան ճանապարհին։

Պատմություն

Հույներին, այդ թվում՝ Արիստոտելին, Վիտրուվիոսին և Պլինիոս Ավագին հետաքրքրել են շփման պատճառ և դրա նվազեցումը։ Նրանք գիտեին ստատիկ և կինետիկ շփման միջև տարբերությունների մասին, իսկ Ֆեմիստիոսը 350 թվականին պնդում էր, որ «ավելի հեշտ է շարունակել շարժվող մարմնի շարժումը, քան տեղափոխել հանգիստ վիճակում գտնվող մարմինը։

1493 թվականին Լեոնարդո դա Վինչին բացահայտել է լոգարիթմական շփման դասական օրենքները․ նա եղել է տրիբոլոգիայի պիոներ, սակայն նրա նոթատետրերում փաստաթղթավորված օրենքները չեն հրապարակվել և մնացել են անհայտ։ Այդ օրենքները նորից է բացահայտվել Գիյոմ Ամոնթտնը 1699 թվականին և հայտնի են դարձել որպես Ամոնտոնի չոր շփման երեք օրենք։ Ամոնտոնը շփման բնույթը ներկայացրել է մակերևույթի անհարթությունների և այն ուժի տեսանկյունից, որն անհրաժեշտ է քաշի ավելացման համար, որը մակերևույթները ճնշում է միմյանց։ Այս տեսակետը զարգացրել են Բեռնար Ֆորեստ դե Բելիդորը և Լեոնարդ Էյլերը 1750 թվականին, որոնք դուրս են բերել բեռի բնական թեքության անկյունը և առաջին անգամ տարբերակել են ստատիկ և կինետիկ շփումը։ Ջոն Թեոֆիլ Դեզագյուլեն 1734 թվականին առաջինն է բացահայտել ադգեզիայի դերը շփման մեջ։ Այս միկրոսկոպիկ ուժերը մակերևույթներին ստիպում են կպչել միմյանց, և նա ենթադրել է, որ շփումն այն ուժն է, որն անհրաժեշտ է հպվող մակերևույթները միմյանցից պոկելու համար։

Շփման ընկալումը հետագայում զարգացրել է Շառլ Օգյուստեն Կուլոնըը (1785)։ Վերջինս հետազոտել է շփման վրա ազդող չորս հիմնական գործոնների ազդեցությունը՝ շփվող նյութերի բնույթը և դրանց մակերևույթների ծածկույթը, մակերևույթի մակերեսի երկարությունը, նորմալ ճնշումը (կամ ծանրաբեռնվածությունը) և մակերևույթների շփման տևողությունը (հանգստի ժամանակը)։ Կուլոնը դիտարկել է նաև սահելու արագության, ջերմաստիճանի և խոնավության ազդեցությունը, որպեսզի գտնի տարբերություններ բնության իկորտիկ բացատրությունների միջև։ Ստատիկ և կինետիկ շփման միջև տարբերությունը հայտնվել է Կուլոնի շփման օրենքում, թեև այդ տարբերությունն արդեն նկատել էր Յոհան Անդրեաս ֆոն Զեգերը 1758 թվականին։ Հանգստի ժամանակի էֆեկտը բացատրել է Պիտեր վան Մուշենբրուքը 1762 թվականին՝ դիտարկելով միմյանց կառճած թելերի մազիկավոր մակերևույթները, որը տևում է վերջնական ժամանակ, որի ընթացքում մեծանում է շփումը։

Ջոն Լեսլին (1766-1832) նշել է Ամոնտոնի և Կուլոնի հայացքների թույլ լինելը. եթե շփումն առաջանում է այն պատճառով, որ բեռը բարձրանում է հաջորդական ելուստներով թեք հարթության վրա, ապա ինչու այն չի հավասարակշռվում հակառակ կողմի թեքությամբ դեպի ներքև շարժումով։ Լեսլին նույնքան թերահավատորեն էր վերաբերվել Դեզագյուլեի առաջարկած ադգեզիայի դերին, որը, ընդհանուր առմամբ, պետք է հանգեցնի ինչպես շարժման արագացմանը, այնպես էլ դանդաղեցմանը։ Լեսլիի կարծիքով՝ շփումը պետք է դիտարկել որպես հարթեցման, անհարթությունները ճնշելու՝ ժամանակից կախված գործընթաց, որը նոր խոչընդոտներ է ստեղծում այն տեղերում, որոնք նախկինում խոռոչներ էին։

Արթուր-Ժյուլ Մորենը (1833) մշակել է սահքի շփման հայեցակարգը՝ համեմատած ճոճման շփման հետ։ Օսբոռն Ռեյնոլդսը (1866) դուրս է բերել մածուցիկ հոսքի հավասարումը։ Դա ավարտել է շփման դասական էմպիրիկ մոդելը (ստատիկ, կինետիկ և հեղուկ), որը սովորաբար օգտագործվում է ներկայում տեխնիկայի մեջ։ 1877 թվականին Ֆլեմինգ Ջենկինը և Ջեյմս Ա. Յուինգը հետազոտել են ստատիկ և կինետիկ շփման անընդհատականությունը։

20-րդ դարում հետազոտությունների ուշադրության կենտրոնում եղել է շփման ֆիզիկական մեխանիզմների ըմբռնումը։ Ֆրանկ Ֆիլիպ Բոուդենը և Դևիդ Թեյբորը (1950) ցույց են տվել, որ միկրոսկոպիկ մակարդակում մակերևույթների միջև շփման փաստացի մակերեսը տեսանելի տարածքի շատ փոքր մասն է կազմում։ Այս փաստացի շփման տարածքը, որը պայմանավորված է անհարթություններով, աճում է ճնշման ավելացման հետ։ Ատոմա-ուժային մանրադիտակի (1986) զարգացումը գիտնականներին թույլ է տվել ուսումնասիրել շփում ատոմային մասշտաբում՝ ցույց տալով, որ այս մասշտաբով չոր շփումը միջմակերևութային տեղաշարժվող լարման և շփման տարածքի արդյունք է։ Այս երկու հայտնագործությունները բացատրում են Ամոնտոնի առաջին օրենքը․ մակրոսկոպիկ համաչափությունը չոր մակերեսների միջև շփման նորմալ ուժի և ստատիկ ուժի միջև։

Ամոնտոն-Կուլոնի օրենք

Շփման հիմնական բնութագիր է շփման $\mu$ գործակիցը, որը որոշվում է այն նյութերով, որոնցից կազմված են շփվող մարմինների մակերևույթները։

Նյութեր		Դադարի շփում, ${\mu }_{\mathrm{s}}$		Սահքի շփում, ${\mu }_{\mathrm{k}}$
		Չոր և մաքուր	Քսուկով	Չոր և մաքուր	Քսուկով
Ալյումին	Steel	0.61		0.47
Ալյումին	Ալյումին	1.05-1.35	0.3	1.4-1.5
Ոսկի	Ոսկի			2.5
Պլատին	Պլատին	1.2	0.25	3.0
Արծաթ	Արծաթ	1.4	0.55	1.5
Կերամիկական կավահող	Կերամիկական կրեմնիի նիտրիդ				0.004 (wet)
ԲԱՄ (կերամիկական ձուլույթ AlMgB14)	Տիտանի բորիդ (TiB2)	0.04–0.05	0.02
Լատուն	Պողպատ	0.35-0.51	0.19	0.44
Չուգուն	Պղինձ	1.05		0.29
Չուգուն	Ցինկ	0.85		0.21
Բետոն	Ռետին	1.0	0.30 (wet)	0.6-0.85	0.45-0.75 (wet)
Բետոն	Փայտ	0.62
Պղինձ	Ապակի	0.68
Պղինձ	Պողպատ	0.53		0.36
Ապակի	Ապակի	0.9-1.0		0.4
Մարդու սինովիալ հեղուկ	Կրճիկ		0.01		0.003
Սառույց	Սառույց	0.02-0.09
Պոլիէթիլեն	Պողպատ	0.2	0.2
PTFE (Տեֆլոն)	PTFE (Տեֆլոն)	0.04	0.04		0.04
պողպատ	Սառույց	0.03
Պողպատ	PTFE (Տեֆլոն)	0.04-0.2	0.04		0.04
Պողպատ	Պողպատ	0.74-0.80	0.16	0.42-0.62
Փայտ	Մետաղ	0.2–0.6	0.2 (wet)
Փայտ	Փայտ	0.25–0.5	0.2 (wet)

Պարզ դեպքերում $F$ շփման ուժը և $N_{normal}$ ճնշման ուժը (հենարանի հակազդեցության ուժը) կապված են հետևյալ անհավասարությամբ․

$|F|⩽\mu N_{normal},$

Նյութերի զույգ	$\mu$ դադարի	$\mu$ սահքի
Պողպատ-պողպատ	0.5-0.8	0,15-0,18
Ռետին-չոր ասֆալտ	0,95-1,0	0,50-0,8
ռետին-թաց ասֆալտ		0,25-0,75
Սառուց-սառույց	0,05-0,1	0,028
Ռետին-սառույց	0,3	0,15-0,25
Ապակի-ապակի	0,9	0,7
Նեյլոն-նեյլոն	0,15-0,25
Պոլիստիրոլ-պոլիստիրոլ	0,5
Օրգանական ապակիներ	0,8

Գրականություն

• Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 1. Трение в машинах. Теория, расчет и конструкция подшипников и подпятников скольжения. Машгиз. М.-Л. — 1947. 256 с.
• Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 2. Износ материалов. Классификация видов износа, методов и машин для лабораторного испытания материалов на износ машины и производственные на них исследования. Машгиз. М.-Л. — 1947. 220 с.
• Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 3. Износ машин. Износ машин и деталей и способы борьбы с их износом. Машгиз. М.-Л. — 1947. 164 с.
• Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 4. Смазка машин. Машгиз. М.-Л. — 1948. 279 с.
• Archbutt L., Deeley R.M. Lubrication and Lubicants. London. — 1927
• Арчбютт Л., Дилей Р. М. Трение, смазка и смазочные материалы. Руководство по теории и практике смазки и по методам испытания смазочных материалов. Госгоргеолнефтиздат. — Л. — 1934. — 703 с.
• Арчбютт Л., Дилей Р. М. Трение, смазка и смазочные материалы — 2-е изд., перераб. и доп. — М.-Л.: Гостоптехиздат. — 1940. — 824 с.
• Дерягин Б. В. Что такое трение? М.: Изд. АН СССР, 1963.
• Крагельский И. В., Щедров В. С. Развитие науки о трении. Сухое трение. М.: Изд. АН СССР, 1956.
• Фролов, К. В. (ред.) Современная трибология: Итоги и перспективы. ЛКИ, 2008.
• Bowden F. P., Tabor D. The Friction and Lubrication of Solids. Oxford University Press, 2001.
• Persson Bo N. J.: Sliding Friction. Physical Principles and Applications. Springer, 2002.
• Popov V. L. Kontaktmechanik und Reibung. Ein Lehr- und Anwendungsbuch von der Nanotribologie bis zur numerischen Simulation, Springer, 2009.
• Rabinowicz E. Friction and Wear of Materials. Wiley-Interscience, 1995.

Ամսագրեր

• Трение, Износ, Смазка, журнал о трении.
• Трение и Износ, журнал о трении издаётся Национальной Академией Наук Беларуси с 1980 г.
• Journal of Tribology Կաղապար:Webarchive, международный журнал о трении.
• Wear, международный журнал о трении и износе.
• Таблицы коэффициентов трения, численные значения коэффициентов трения.