Из цикла рассказов ЭНЕРГИЯ МИРОЗДАНИЯ
Параграф 9. Новая парадигма трения. Часть 1
МИРОЗДАНИЕ
Нестандартный подход или Новая парадигма мысли (НПМ) позволяет приоткрыть тайны мироздания. Здесь и в дальнейшем я подчёркиваю, что это субъективный взгляд на окружающий мир, какой он есть в реальности, каким воспринимаю его, благодаря многолетним наблюдениям и научным исследованиям в области трения.
Данный параграф, разбитый на две части, я посвящаю одному из важных явлений в природе – трению, без которого невозможно преобразование энергии как таковой. Всё вокруг, что я вижу в материальном и нематериальном мире, так или иначе подвержено трению и связано с трением.
Действительно, в Едином мире энергии, где непрерывно движение энергетических потоков из областей больших концентраций в области меньших концентраций всюду возникают действия и противодействия. Эти силы связаны с поверхностями энергетических потоков, которые не могут образоваться сами по себе, то есть как им «вздумается» – обязательно существует первопричина!
В энергетическом мире, где есть лишь один сорт энергии, даже невозможно себе представить некий физический вакуум, из которого вдруг откуда ни возьмись, как в сказке, что-то приключилось, произошло самым чудесным образом и появилась материя. Это противоречило бы всем наукам, известным человечеству со времён их появления, потому что из ничего не возникает что-то.
Первопричиной всего сущего и несущего является структурированная энергия в виде матрицы – ЭФИР, о котором было известно исследователям давным-давно.
К открытию эфира я вернусь в следующих параграфах, а здесь подчеркну, что все энергетические потоки непрерывно взаимодействуют – это бесконечный процесс, “танец Вселенной”. Но все энергетические потоки ориентированы в пространстве благодаря структуре матрицы, – “ведут себя” в достаточной мере «скромно»
Я неоднократно утверждал, что энергия «ленива», она стремиться отыскивать в своём движении пути с наименьшим сопротивлением. И всеобъемлющая матрица в том играет первостепенную роль, поскольку успокаивает всякую возбуждённую энергию. В моём представлении, эфир является всепоглощающей средой, а не всепроникающей. Почувствуйте, как говорится, разницу!
Отсюда и характерные свойства гибкости, упругости, изворотливости, вязкости, присущие любой среде, сотканной из эфира. Поверхность структурной матрицы и есть тот самый первичный элемент, из-за чего возникает напор – давление и реакция – противодавление. И опять таки, об этом подробнее пойдёт речь в следующих параграфах о мироздании, а не здесь.
В предыдущих рассказах я последовательно и доходчиво (как только мог) не для учёных, а для простого обывателя, изложил суть систем отсчёта и измерения, а также дал возможность «окунуться» в известное по новому, без математических формул и доказательств очевидного, прибегнув к аксиомам и положениям.
Здесь я продолжу утверждать оригинальные положения.
ОРИГИНАЛЬНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ V
НЕ СТОИТ ДОКАЗЫВАТЬ ОЧЕВИДНОЕ.
Если я и другие видят одно и то же, то только соринка в глазу может помешать и воспрепятствовать утверждению, что видимое не существует. Относительность в уменьшении перспективных изображений и предметов на дальних расстояниях от наблюдателя столь очевидна, что о ней, например, знал Евклид, кода подытожил античные знания в своих “Началах” (300 лет до нашей эры).
Я не буду перечислять все явления природы, которые были известны с древних времён (тысячелетиями!), но подчеркну, что трение – одно из них.
Несмотря на моё обещание излагать доходчиво без перегрузки текста научными выкладками и формулами, в этом параграфе мне всё же придётся упомянуть не только исторические сведения о трении как таковом, но рассказать и о причинах непонимания или недооценки данного раздела знаний, поскольку трение – одно из основополагающих в мироздании явлений.
Действительно, если посмотреть повнимательнее на материальный мир, то есть, на всевозможные научные исследования в макромире, микромире, космическом пространстве, под землёй и в глубинах океанов, то окажется, что первопричины возникновения тех или иных природных событий необъяснимы или неизвестны.
Дело в том, что для научных изысканий и умозаключений недостаточно гипотез и предположений, на которых зиждутся многие устаревшие теории и философии.
Ощущений, привычных научных умозрений для третьего тысячелетия не хватает, когда уж стал очевиден разрыв (пропасть) между практическими достижениями за последние 75 лет (всеобщий прогресс человечества!) и «фундаментальными» основами мироздания, сформированными в основном в XVII-XVIII веках.
Если взять, к примеру, вопрос о распространении света или об ионизации газа, то окажется, что причины возникновения дуализма до конца не выявлены, а заряды электронов могут быть как отрицательными, так и положительными.
И тем не менее, если сравнивать науку в целом в XVII-XVIII веках с современными представлениями учёных, надо признать огромный скачок в развитии знаний даже при невыясненных обстоятельствах первопричин (сути) природных явлений.
Я не буду утверждать, что первопричиной многих энергетических преобразований является одно только трение, поскольку каждый энергетический процесс имеет несколько одновременно действующих сил и противодействий. Но без трения не происходит ни один процесс взаимодействия энергий, это точно.
Поскольку в школах и университетах знаниям о трении уделяется недостаточно внимания, я позволю себе более углублённо представить удивительные и часто ускользающие из поля зрения моменты, касающиеся данного феномена.
Однако, не привожу здесь исторических справок, которые можно самостоятельно почерпнуть из Интернет, а также сведений из учебников и научных статей.
До сих пор трение, хоть тщательно изучалось как основная причина превращения механического движения в теплоту, считается парадоксальной, то бишь одной из “таинственных” сил, существующих в природе. Известно, что трением добывали огонь в эпоху палеолита, но я лично в детстве фокусировал лучи Солнца линзой и воспламенял сухой хворост или бумагу.
Как ни странно, кажется, что это совершенно разные процессы, однако суть одна – есть трение лучей света о поверхность хвороста или бумаги! Тепло и нагрев до температуры воспламенения – это и есть взаимодействие внутримолекулярных энергетических частиц любого вещества. Я также легко поджигал спичку трением, чиркая ею о плоское обыкновенное стекло.
Всякий раз, когда я говорю о трении с различными средами (веществами), лишь различаю два совершенно разных подхода. Первый – «мягкое» трение, когда скорости движения энергетических потоков невелики. Второй – резкий, быстрый процесс, который я называю «жёстким» трением.
Согласитесь, плавный вход в воду бассейна слишком отличается от броска в ту же самую воду в том же бассейне с высоты, – с десятиметровой вышки!
Но можно ли достичь столь внушительной и ощутимой разницы, если кто-то не интересовался трением и нет представления о всех тонкостях? Конечно можно! Даже можно ощутить эти тонкости («колкости») на собственном теле: достаточно надавить на кожу с одинаковой силой тупым предметом и тонкой иглой!
То, что о трении действительно написано много, не значит ничего, покуда сам не прочувствуешь, не испытаешь его действия на себе! Что с того, что по природной своей сути силы трения относят к фундаментальным электромагнитным силам взаимодействия тел, что эти силы значительны по сравнению с гравитационными, но меньше на два порядка по модулю от ядерных сил?
Вот если ступил на скользкий лёд в тупых коньках, и ноги разъехались в стороны сами по себе, или провалился в сугроб, забыв встать на лыжи! А мне говорили в школе, что трение не зависти от площади поверхности, – ещё как зависит!
Тот, кто в жизни хоть раз пользовался дрелью, сверлил отверстия в металле насквозь, возможно, ломал свёрла, особенно на выходе сверла из металла. Или елозил по поверхности тупым сверлом, которое не сверлило, перегреваясь. Либо ломались тонкие свёрла при малейшем отклонении от оси сверления. Всё это и есть ощутимые “особенности” распределения разных сил в процессе трения.
Однако, я не хочу навязывать читателю или пересказывать всевозможные факты и ситуации, в которых заметно меняется трение, казалось бы, само по себе. Так, если дверь скрипит или замок заедает в сухую погоду, то после дождя эффекты “скрипучести” и “заедания” пропадают. Значит, влага (вода) является смазкой!
Все научные познания, что преподавали мне в школе и университете о трении, – это эмпирический закон Амонтона-Кулона. Осталось загадкой, кто на самом деле автор, хотя Шарль Кулон и Гильом Амонтон жили в разных столетиях!
Конечно же, мне пришлось найти и перечитать почти всё, что было известно о трении, включая современные теории и научные статьи, прежде, чем излагать то, что шло «вразрез» или “не вписывалось” в общепринятые изыскания.
Но я себя не чувствовал каким-то «докой» в вопросах о трении, поскольку уже в XIX веке подвергся сомнению закон Амонтона-Кулона, не дающий правильного описания силы трения, а экспериментальные значения коэффициентов трения отнюдь не являлись универсальными характеристиками.
Удивляет, что до сих пор первоначальные не очень верные представления учёных не ревизованы их последователями, особенно в части основополагающих понятий о природе сил трения. Так сложилось в науке о трении, что исторические тайны о природе трения приоткрывались с огромным трудом, а ответов становилось всё меньше по сравнению с вопросами, которые порождали эти же ответы.
На стыке между механическим взаимодействием тел и ядерным взаимодействием лежит молекулярно-кинетическая теория строения вещества, и благодаря трудам многих учёных, начиная уже со середины XIX века, была разработана концепция о молекулярно-механической природе трения.
Перед текстом я привёл несколько рисунков. На первом показана классическая схема простейшего эксперимента для наглядного представления статического трения. Понятно, что при рассмотрении возникающей силы трения от действия приложенной нагрузки, которая равна по модулю силе сопротивления движению, можно принять (только как частный случай), что поверхности соприкосновения двух тел не имеют межмолекулярного и межатомного взаимодействия.
В данном случае совсем не учитывается природа взаимодействия тел, и сила трения тела рассматривается только как уравновешивающая сила сопротивления от воздействующей на предмет силы P при механическом движении в направлении растягивания троса.
Только тогда (в этом частном случае) есть смысл применять законы механики Ньютона в полной мере с целью определения (весьма условно и приближенно) коэффициента трения скольжения, что очень «удобно» в соответствии с данной методикой.
Дисперсия же (разброс) значений коэффициента трения для каждого материала будет отличаться в разы (!), что можно наблюдать в научных и исследовательских работах разных авторов, описанных в многочисленной литературе. Именно определённые в таком частном случае усреднённые значения коэффициентов трения для различных материалов и приведены в инженерных справочниках.
Вообще, нужно здесь отметить, что во времена Ньютона и позже многие учёные «страдали» усердием экспериментировать на каком-то одном теле (предмете), а потом результаты опытов распространяли на все остальные случаи. Этот подход был в те времена показательным, но в корне неверным!
Я несколько изменил суть эксперимента и получил Новую парадигму трения!
Для начала оставил в эксперименте (Рис. 1) тело под нагрузкой на год, а через год обнаружил, что оно «срослось» с основанием самым чудодейственным образом!
То есть, через год у меня произошла диффузия – проникновение одного вещества в другое, причём я отметил факт, что быстрее происходит «срастание» металлов (коррозионное окисление поверхностей – ржавчина), при большей нагрузке, при большем времени или при более гладких отшлифованных поверхностях.
Изучая межатомные (когезионные) и межмолекулярные (адгезионные) связи и силы взаимодействия двух тел, я практически ничего не делал! Но при этом сила трения в данном эксперименте изменилась в разы! Мне пришлось размачивать «сросшиеся» тела в керосине, прежде чем их сдвинуть относительно друг друга.
Работая на механическом заводе после университета, я часто пользовался при измерениях концевыми мерами, которые притирались друг к другу за считанные секунды! Мне не нужно было ждать год, чтобы увидеть тот же самый эффект меж взаимодействующими металлическими отполированными поверхностями трения.
И стало ясно: чем больше контактная площадь двух хорошо отполированных поверхностей, тем больше проявляются адгезионные и когезионные силы, и тем больше сила сцепления поверхностей.
С точки зрения механики, когда я определяю значения силы трения с помощью динамометра по классической методике в первом случае (Fтр1) и во втором случае (Fтр2), т.е. при замерах через год, то обнаруживаю неравенство: Fтр1 не равно Fтр2 !
Что это – аномальное явление или различие методик?
Понятно, что в двух разных методиках и подходах есть сильные отличия, которые влияют на определение значения коэффициента трения. Кроме того, имеются два осложняющих обстоятельства, если, например, я имею дело с металлическими поверхностями тел. Во-первых, металлические поверхности на воздухе быстро покрываются тонкой плёнкой окислов и фактически контакт осуществляется не между чисто металлическими поверхностями, а между окисными плёнками, имеющими более низкий коэффициент трения. Во-вторых, проникновение к поверхности трения любой жидкости, например атмосферной влаги, вообще меняет картину контакта, уменьшая трение сразу в несколько раз (!)
Если проанализировать классический эксперимент и более детально подойти к измерениям, рассмотреть как движется тело при движении троса с динамометром при постоянной скорости движения, то быстро обнаруживается, что само тело не двигается с одной и той же скоростью, а перемещается толчками.
Таким образом, движение тела оказывается колебательным, где периодически сменяются фазы прилипания и скольжения.
Проводил и другой эксперимент, который можно осуществить, не отходя от стола. Если положить какой-нибудь предмет, например тяжёлую (толстую) книгу, на лист бумаги и попытаться затем медленно вытянуть этот лист из-под книги, то книга «ползёт» вместе с листом. Но если попытаться тянуть не равномерно, а резкими рывками, (причём скорость движения вытягиваемого листа хоть и будет переменной, но в среднем она может быть прежней или даже меньшей), то можно увидеть, как книга остаётся почти на месте, а лист из-под неё вытягивается!
Сухое трение в первом случае больше трения покоя. Только из-за того, что рывки позволили “преодолеть” барьер трения покоя, я привёл во взаимное движение два тела, уменьшив сцепление между листом бумаги и книгой. Продолжил тот же эксперимент, поставив книгу на малый торец. Малая устойчивость книги теперь не позволила перемещать её медленно из-за сильных контактных колебаний и опрокидывающей силы, которые оказывали влияние на систему. К тому же, не получилось и резкими толчками вытянуть бумагу из-под книги.
Если предположить, что сила трения не зависит от площади контакта (как гласит закон Амонтона-Кулона), то при резких рывках мне удалось бы одинаково легко вытянуть лист из-под книги при её расположении на плоской, либо на торцовой поверхности, при этом книга относительно листа бумаги оставалась бы примерно в одинаковом месте (положении). И стало очевидно, что закон не работает!
Но как же тогда на самом деле распределяются силы трения в системе и от чего зависят?
Для Новой парадигмы трения я полностью сменил схемы для замеров взаимодействия тел, которые представлены на рисунках 2 и 3.
Расчёт очень прост: на тело весом 9 кГ оказывает давление груз весом P = 1 кГ (Рис. 2). Если приложить силу F к телу, как показано на рис. 2, и при этом на тело будет воздействовать сила прижатия к поверхности стола N = 10 Н, то возникнет сила трения Fтр., модуль которой (например, сталь по стали) равен Fтр. = 1,5 Н, – то есть, для силы трения покоя, равной силе трения скольжения (насухо).
Для того, чтобы перейти к концепции молекулярно-механической природы трения мне нужно изменить схему передачи силы N от контактного тела P таким образом, чтобы можно было наглядно представить разницу во взаимодействии двух тел.
Я поместил тонкую стальную иглу между грузом и телом, как показано на рис. 3 (груз, игла и поверхность стола неподвижны относительно друг друга). Теперь возникающая сила трения покоя F1 тр. не равна Fтр. (Рис. 2).
Сила F1 тр. значительно больше силы трения покоя Fтр., при этом очевидно, что во взаимодействии тел по этой схеме площадь контактной поверхности оказывает существенное влияние на силы трения покоя и силы трения скольжения. В приведенной схеме (Рис. 2) сила трения Fтр. имеет значение меньше, хотя площадь соприкосновения с грузом P значительно больше, чем в схеме на рис. 3. В этом и состоит парадокс – сила трения в первом случае (Рис. 2), равная сумме сил сопротивления движению по двум поверхностям, всё же имеет меньший коэффициент трения, хотя площадь контакта в первом случае значительно больше, чем во втором (Рис. 3)! При этом нужно учесть, что нагрузка и свойства материалов (сталь по стали) не изменились!
Я понимаю закон Амонтона-Кулона буквально: величина силы трения не зависит от площади соприкосновения тела с поверхностью. Если предполагать, что закон верен, то я могу как угодно двигать тела относительно друг друга, при этом силы трения (сухого и движения) не изменятся. Причём, в обеих случаях (Рис. 2 и 3) эти силы должны быть одинаковы, так как всюду у меня “работают” пары трения сталь по стали (из справочных данных коэффициент трения “сталь по стали насухо” равен 0,15). Я умножаю силу прижима, действующую на опору в ньютонах (10 Н) на коэффициент трения и получаю силу трения скольжения и покоя, равную 1,5 Н.
Однако, многочисленные мои опыты, проведенные по приведённой схеме (Рис. 3) показывают «аномальные» значения сил трения: F1 тр. не равна Fтр. (Рис. 2).
Здесь кроется удивительная аномалия, которая противоречит не только закону Амонтона-Кулона, но и механике Ньютона, ибо действуют на опору не силы, а всё же давление! А это совершенно другие размерности в исчислении величины для безразмерного коэффициента трения!
Данный парадокс и путаница в трактовке закона о трении приводит к тому, что на самом деле физическая суть коэффициента трения до сих пор не определена!
Если опять же принять к сведению, что сила трения всё-таки зависит от площади поверхности, то прилагаемая сила N = 10 Н будет распределяться по поверхности соприкосновения не одинаково в первом и втором случаях, и на тело будет действовать не одинаковое давление с двух сторон (при неподвижном расположении груза, как видно из рис. 2 и 3). Тогда возникает новый парадокс с размерностью коэффициента трения!
Понятно, что коэффициент трения – безразмерная величина, но эта размерность будет нарушаться, если заменить силу прижатия на ДАВЛЕНИЕ.
Здесь мне придётся немного отвлечься от темы и посмотреть на некоторые иные основополагающие законы, где в формулах имеется коэффициенты, – это закон тяготения Ньютона и закон Кулона об энергетических зарядах. Удивительная схожесть двух формул позволяет их легко запомнить.
Но что больше всего меня поражает в науках о мироздании, многие учёные своего времени изучали одновременно механику, оптику, математику, геометрию и тому подобное, но мало кто из них в XVII-XVIII веках занимался вопросами трения! Из всех известных всему миру исследователей того времени никто не уделял столь пристального внимания трению, как Шарль Кулон, хотя Леонард Эйлер ещё в 1750 году (до Кулона) объяснил, почему сопротивление при переходе от состояния покоя к состоянию движения всегда больше (трение покоя и трение движения).
Эйлер полагал, что причина сохранения телом состояния покоя и сопротивления первоначальному усилию и равномерному прямолинейному движению – свойство «внутренней инерции», то есть стремление тела сохранить своё состояние. Но при этом Эйлер сам считал такое объяснение не вполне удачным.
Надо отметить, что в 1781 году в труде «Теория простых машин» Кулон охватил основные аспекты трения: сопротивление скольжению, качению, страгиванию, и при обобщении закона Амонтона показал, что часть трения слабо зависит от нагрузки (или вовсе не зависит от неё). Он добавил в формулу часть трения, зависящую от “сцепляемости” поверхностей трения.
И вот на что я обращаю особое внимание: в законе тяготения Ньютона ставится размерный коэффициент (гравитационная постоянная), как и в законе Кулона об энергетических зарядах тоже постоянная – размерная величина, тогда как в законе трения – мало того, что безразмерный коэффициент трения, но он ещё и не имеет постоянного значения! Для разных материалов и систем сила трения отличается значительно, и как оказывается, даже для одного и того же материала может иметь различное значение, зависящее от “сцепляемости”!
Кулон вышел из положения оригинальным способом: не стал менять размерность для коэффициента трения, но зато добавил некую часть трения в формулу:
Fтр. = f * N + А ,
где А – часть трения, зависящая от “сцепляемости” поверхностей трения.
На самом деле, такой чисто математический приём я понимаю как подгонку под нужный результат. Это всё равно, что дважды два равно четыре, но не точно! В зависимости от результатов экспериментов, получаемых для сил трения (только эмпирически), можно в число «А» добавить сколько угодно!
Такой подход напоминает мне другой математический приём с округлением до целого числа: если после запятой 0,49, округляем в меньшую сторону – до нуля, а если после запятой 0,5, округляем в большую сторону – до единицы!
Таким образом, число Пи (3,14…) округлённо равно числу Эйлера (е = 2,7…)!
Понятно, что любой «подгоночный» результат не удовлетворит исследователя.
Последователи Кулона, – Бенджамин Томпсон (1798 г.), О. Рейнольдс (1886 г.), Штрибек (1902 г.) и другие выдающиеся учёные своего времени пытались объяснить зависимость коэффициента трения от многих факторов, – нагрузки, скорости, материалов, шероховатости, смазки, температуры. И только одно положение всегда «обходили стороной», – они не принимали в расчёт контактную площадь соприкасающихся тел (!)
А как же тогда принимали в расчёт движение небесных тел или молекулярных и межатомных сил, где трение является основополагающей причиной не только для теплоты, радиации, но и для других энергетических превращений?
Трение как таковое не принимали в расчёт, вместо него вводили другие величины – внутреннее трение называли вязкостью, внешнее – теплотой (в процессе механического взаимодействия соприкасающихся тел), в других же случаях – сопротивлением, либо рассеиванием энергии, либо ещё как-нибудь.
В итоге, вроде как все знают, что всюду есть трение, но его как бы не учитывают, либо считают косвенным, мешающим энергетическому взаимодействию явлением – с трением больше «борются», нежели используют в качестве преобразования или передачи энергии. В механизмах и машинах, кроме нагревания тел от трения, например, происходит изнашивание поверхностей узлов и деталей.
Мне абсолютно ясно, что до середины XX века говорили лишь о силах трения, о них прописано в учебниках и сейчас. Однако, понимание, что трение зависит не только от материалов взаимодействующих тел, состояния поверхностей и многих других факторов, но и от контактной площади, пришло лишь после 1976 года, когда И.В Крагельский ввёл понятие фактической площади контакта шероховатых поверхностей (ФПК). Представьте, мне в это время было уже 20 лет!
До настоящего времени трение во многих аспектах является загадкой, хотя уже в современном мире можно перечислить десятки более и менее известных учёных, кто занимается исследованиями в данной области.
Ведь только при трении одновременно происходят механические, электрические, химические, тепловые, вибрационные процессы!
Трение является самоорганизующимся процессом, при котором с определённой последовательностью и весьма «разумно» протекают явления, направленные на разрушение поверхности или же, наоборот, на создание целой серии систем, снижающих износ и трение.
Но до сих пор остается путаница среди учёных в глубоком понимании и определении явления трения; все возможные попытки объяснения природы трения упираются в два простых вопроса: «Зависит ли сила трения между телами от площади соприкосновения тел?», «Что нужно делать для уменьшения силы трения – увеличивать или же уменьшать площадь поверхности соприкасающихся тел?»
В многочисленной литературе встречаются два противоположных утверждения:
1) «Для уменьшения трения нужно улучшить качество обработки поверхностей, чтобы уменьшить пики, а тем самым силу страгивания»
2) «Оказалось, что коэффициент трения понижается с уменьшением площади касания. Однако это понижение незначительно. Закон для силы трения F = kN в силу своей простоты стал общепринят, хотя уже в XIX веке стало ясно, что он не даёт правильного описания силы трения»
Даже если взять только одно первое утверждение, то из него уже сразу следует парадокс, заключающийся в том, что для уменьшения силы трения нужно улучшать качество поверхности, сглаживая пики и уменьшая сопротивление шероховатости соприкасающихся тел, но ведь при этом увеличивается контактная площадь! Увеличение же контактной площади неминуемо приведёт к сближению тел и к увеличению адгезионных и когезионных сил, что, в свою очередь, увеличит трение между телами!
Однако, я снова возвращаюсь к Новой парадигме трения.
В моём представлении одновременно происходят два процесса, в которых взаимно компенсируются изменения силы трения соприкасающихся тел: уменьшение силы трения тел при сглаживании пиков компенсируется увеличением силы адгезионного и когезионного трения между этими же телами.
Вероятно, что разность изменяющихся сил может давать суммарный эффект как в сторону увеличения коэффициента трения, так и в сторону его уменьшения (!), и может являться причиной дисперсии коэффициента трения от теоретических и экспериментальных значений, как вероятно и то, что такая разница весьма незначительна.
Таким образом, создаётся весьма интересная иллюзия, что якобы сила трения совсем не зависит от площади соприкасающихся тел, основанная на реальных опытах (!) Особенно проявляется эта иллюзия в тех случаях, когда одинаковы по модулю изменившиеся силы трения тел при сглаживании пиков с компенсирующей силой адгезионного и когезионного трения (!)
Я здесь не буду приводить научные публикации в области трибологии – науке о трении, получившей своё название в 1966 году, поскольку в них изобилие формул интересует лишь специалистов.
Для представления «современной картины трения» приведу высказывание одного из пионеров трибологии Ф. Боудена: «…наложение двух твёрдых тел одного на другое подобно наложению швейцарских Альп на перевернутые австрийские Альпы ; площадь контакта оказывается очень малой. Однако при сжатии остроконечные «горные пики» пластически деформируются и подлинная площадь контакта увеличивается пропорционально приложенной нагрузке. Именно сопротивление относительному сдвигу этих контактных зон и является основным источником трения движения. Само сопротивление относительному сдвигу при идеальном контакте определяется межмолекулярным взаимодействием, зависящим от природы контактирующих материалов»
Таким образом современниками объясняется влияние двух главных факторов: нагрузки (силы прижатия) и свойств материала.
Конечно же, я досконально изучил все материалы о трении, попавшиеся под руку, и для себя отметил, что несмотря на принятие учёными понятий адгезионной (молекулярной) и деформационной (механической) составляющей, проведения скрупулёзного анализа контактной поверхности, математической оценки площади соприкосновения по фактической площади контакта шероховатых поверхностей (ФПК), введённой в 1976 г. И.В. Крагельским, развить в полной мере зависимость коэффициента трения от ФПК не удалось. Даже очень хорошая математическая модель не может в полной мере объяснить зависимость физической величины без глубокого понимания её природы или физической сущности.
Не буду углубляться в бесплодные попытки учёных объяснить в большей степени математическую, нежели физическую суть коэффициента трения.
Когда я написал первую свою научную аналитическую статью с выводами о том, что разные подходы к определению коэффициента трения не дают чего-то самого главного, а именно глубокого понимания для определения физической сути силы трения с точки зрения современных представлений и теорий, описанных в многочисленной отечественной и зарубежной литературе, то ясно, что ни один научный журнал, куда я обращался, эту статью к публикации не принял.
Пришлось опубликовать в сборнике одной из научных конференций во Львове.
Собственно, первая часть – теоретическая, сравнивающая экспериментальные подходы с наиболее точным определением сил трения и распределения давления по контактной поверхности. Мне пришлось ввести более точное определение для сути (природного характера) явления трения, относя его к атомно-молекулярно-механической природе трения.
Из заключений учёных и их описаний я также учёл, что действие адгезионных и когезионных сил, как показывают эксперименты, выше по модулю на два порядка от деформационных сил соприкасающихся поверхностей.
Здесь же последовательно «раскрываю тайны» трения исходя из физической сути данного явления, не углубляясь в область математического моделирования и повторения теоретических работ и исследований предшественников.
Начало исследований – 1996 год, когда я впервые применил в своём автомобиле продукцию SUPERLINE и занялся уникальным производством нано порошка из отходов чистого фторопласта-4, самого скользкого материала в природе.
Конец исследований – 2009 год, когда завершил испытания на стенде в Германии английского однопоршневого двигателя внутреннего сгорания с ожидаемым результатом: повышение эффективности работы двигателя на 10%!
Для более полного восприятия картины трения я привёл две простейшие схемы (Рис. 4 и 5). Упростил схему, чтобы не использовать динамометр (Рис. 1) и исключить погрешности измерительного прибора и возможные упругие колебания пружины под действием силы трения, которые оказывают влияние на точность измерений.
Прибор состоит из стола, по которому двигается тело весом G. Это тело приводится в движение с помощью нити, переброшенной через неподвижный блок А, к концу которой подвешен груз весом Q. В начальный момент времени тело пребывает в состоянии покоя. Силы взаимодействия нити с неподвижным блоком А постоянны и поэтому не оказывают влияние на точность измерений.
Собственно, в любом учебнике приводятся эти две простейшие схемы. Однако, по ним можно познавать трение чисто теоретически (на веру), а можно самому снять показания приборов (даже без навыков), и убедиться, что действительно трение есть весьма загадочное явление. Я ни сколько не сомневаюсь, что кроме Кулона и Амонтона такие эксперименты ставили неоднократно и другие, интересовавшиеся данным феноменом учёные.
Но вот что я обнаружил, когда сам проводил опыты по схеме на рис. 4: во всех случаях при корректной постановке задачи по определению сил трения и точному измерению данный метод не позволил мне обнаружить и качественно определить зависимость дисперсии коэффициента трения, поскольку слишком малы скорости движения тела относительно стола и невелика разница в размерах самого прямоугольного тела, если это тело устанавливать на его разные поверхности.
Малейшие изменения в наклонах стола, по которому движется испытуемое тело, и даже отклонения угла наклона нити по отношению к неподвижному блоку А (а это происходило в случае замеров на разных поверхностях, когда менялся размер а, Рис. 4) вызывали погрешности измерений. Кроме того, наблюдал определённые трудности в подборе разновесов для измерения точного веса (груза Q) в момент страгивания тела, определил, что разброс показаний самого прибора (точность измерения) достигал до ± 5%.
Это происходило потому, что всякий раз при изменении условий проведения эксперимента и при малых скоростях менялась сила трения пропорционально модулю прилагаемой нагрузки с учётом дополнительных сил, возникающих, например, при изменении угла наклона стола (появлялась сила сползания тела под собственным весом по наклонной поверхности), либо при изменении угла наклона нити (возникала подъёмна или прижимная сила), либо при увеличении размера а, рис. 4 (появлялась дополнительно опрокидывающая сила). Понятно, что для абсолютно точного определения значения коэффициента трения требовалось проводить многочисленные замеры и затем данные замеров усреднять.
Таким образом, экспериментальные дисперсии (разброс) могли достигать ± 100% и больше. Так, для самого скользкого полимера (фторопласт-4) коэффициент статического трения составляет 0,08-0,02, а коэффициент динамического трения (ПТФЭ по стали) составляет 0,1-0,2.
Но и это ещё не самое главное! Если бы появился какой-нибудь второй дотошный исследователь, кто самостоятельно проводил замеры коэффициента трения по данной схеме (Рис. 4), я бы ему задал справедливый вопрос: «А, собственно, что мы на самом-то деле измеряем?»
Дело в том, что по схеме рис. 4 можно определять силу трения при страгивании тела с места (приближённо, так как разброс слишком велик), но не динамическое трение! Как только система приходит в движение, вес подвешиваемого груза Q начинает падать, с каждым мгновением наращивая скорость. В итоге, мы меряем что угодно, – силу тяжести груза Q, меняющуюся во времени, силу инерции всей системы, пришедшей в движение, но не силу трения под действием нагружаемого тела весом G!
Мне стало абсолютно ясно, почему в аналогичных замерах, проводимых в своё время Кулоном, было выведено заключение, что трение не зависит от площади контактирующих материалов, а также выявлена странная особенность, что, якобы трение не зависит и от скорости движения!
Схема, приведенная на рис. 4 – самая неудачная из всех возможных схем для измерения сил трения! Определять по такой схеме трение движения нельзя!
Когда мне кто-то сейчас же укажет на это утверждение, выведенной в XVIII веке Кулоном, – «трение не зависит от скорости», то я тут же парирую: «Зато скорость зависит от трения!»
Примерно такие же погрешности при замерах имел и Амонтон (в XVII веке), но он использовал иную схему (Рис. 5), впервые появившуюся в рисунках, сделанных Леонардо да Винчи.
Я привёл здесь эти рисунки (Рис. 225 и 226), – точно так, как они представлены в переводе первоисточника М.А.Гуковским (1947 год) – статьи «Механика Леонардо да Винчи», – там есть следующие пометки: «рисунки 225 и 226, иллюстрирующие приведенную запись, к сожалению, по видимому, не законченную, показывают нам те простейшие опыты, которые проделывал Леонардо в своей работе над проблемой трения; запись вносит в первую общую и лаконичную формулировку закона трения два важных дополнения: во-первых, она утверждает, что трение зависит не только от давления, но и от характера поверхности трущихся тел; во-вторых, она констатирует, что при мало шероховатых поверхностях, соприкосновение которых облегчено смазкой, трение не зависит от величины поверхности трущихся тел; при сильной же шероховатости трение пропорционально величине этих поверхностей»
Это удивительно, что, интересуясь вопросами трения, мне удалось «раскопать» перевод первоисточника Леонардо да Винчи, – того, кто первым сделал записи в учении о тяжести, дал математическое определение о величине трения: «Каждым тяжёлым телом побеждается сопротивление трения по весу, равное четвертой части этого веса»
Что меня более всего удивляет, это то, что среди учёных-современников, кто из них упоминает в работах Леонардо да Винчи о четверти энергетических потерь на трение, просто игнорируют остальные записи автора, в которых намного больше смыслового содержания, нежели у многих последователей – Альберти, Амонтона, Эйлера, Кулона и так далее.
Эх, дорасти бы сегодняшним учёным-трибологам до Леонардо да Винчи!
Я буду вставлять, где это уместно, некоторые выдержки из записей Леонардо в переводе М.А.Гуковского, хотя должен заметить, что их не так уж много полезных.
Для того, чтобы исключить зависимость от сил, дополнительно возникающих во время эксперимента, я максимально упростил схему: убрал груз весом Q из схемы (Рис. 4) и оставил тело весом G на поверхности стола. На рис. 5 показана схема изменения угла наклона стола с плоским телом и замеряемый параметр h в момент страгивания тела под собственным весом по наклонной плоскости. Здесь N = G * cos (альфа), где (альфа) – угол наклона поверхности стола относительно горизонтальной линии.
То есть, на самом деле я выбрал простейшую схему из работ Леонардо да Винчи. И теперь фактически исследую давление тела на опорную поверхность!
Под действием силы тяжести тела (N = G) при увеличении угла (альфа) будет возникать сила скольжения F по поверхности стола, которая будет уравновешиваться силой трения F tr. до момента страгивания тела, когда сила трения достигнет своего максимального значения F max.
Таким образом, измеряя высоту наклона h, я приближаюсь c особой точностью к самой сути экспериментального определения зависимости коэффициента трения от площади соприкасающихся поверхностей.
Прежде всего мне необходимо воспроизвести такой же опыт, какой ставил мастер в XV веке! Для этого я выбрал прямоугольное стальное тело с ощутимой разницей в размерах, почти как у Леонардо да Винчи на рисунках (20 см х 10 см х 1 см).
То есть, массивный стальной брусок, меньшая сторона которого в 20 раз меньше, чем самый большой размер. К тому же, надо полагать, что напильник – тот самый инструмент, которым уже пользовались в XV веке (это видно из записей Леонардо да Винчи). Стало быть, никакой шлифовки и полировки поверхностей не применял ещё и по той причине, чтоб не возникло межмолекулярных и межатомных сил.
Объём такого тела составил 200 куб. см, вес – 1570 г, площади сторон – 200 см2, 20 см2 и 10 см2. Сила тяжести, действующая на опору стола в горизонтальном положении – 15,4 Н. Осталось плавно приводить в движение одну сторону стола и измерять размер h в момент страгивания.
Думаю, такой эксперимент может поставить и проделать любой школьник!
Однако, если рядом со школьником окажется скептик-учитель, то он объяснит о неправильной постановке опыта из-за возникновения опрокидывающей силы и тут же расскажет о центре масс и тому подобном. Мне же не до скептиков, так как я проводил тщательные замеры лишь на самой большой поверхности трения.
То есть, делал 50 замеров момента страгивания (размер h) для двух положений тела относительно направления движения – продольном и поперечном. Затем полученные результаты усреднял и сравнивал между собой. Естественно, была обнаружена небольшая разница в трении, которая при малых скоростях не дала ощутимых результатов.
Продолжив экспериментировать с другими аналогичными стальными брусками, у которых одна сторона по размеру значительно превосходила две другие, получил уже существенную разницу, доказав тем самым самому себе, что трение зависит от площади контактируемых поверхностей.
При этом попутно увидел ещё одну особенность при движении тел по плоскости – их явно “заносило”, то есть тела не скользили по строго определённой прямой.
Помните, я выше уже указывал на определение Эйлера: Эйлер полагал, что причина сохранения телом состояния покоя и сопротивления первоначальному усилию и равномерному прямолинейному движению – свойство «внутренней инерции», то есть стремление тела сохранить своё состояние.
Никогда я более оригинального, чем у Эйлера не встречал, хотя «перелопатил» массу литературы о трении. А ведь Эйлер был совершенно прав, утверждая, что в любом движении участвует не только силы и сопротивление, но и инерция!
Таким образом, в простейших экспериментах я получил то же самое: “занос” тела в процессе свободного скольжения по наклонной всегда присутствует, и причиной такого “заноса” является инерция, присущая любому материальному телу.
В другом первоисточнике Эйлера (“Основы динамики точки”, – первые две главы из “Механики” и из “Теории движения твёрдых тел”, перевод с латинского В.С.Гофмана и С.П.Кондратьева под редакцией В.П.Егоршина, 1938 г.) я нашёл много удивительного, в том числе и о законе сохранения состояния.
Надо здесь отметить простоту, с которой излагал свои заключения Леонард Эйлер – особенно в тех работах, которые касались философии законов природы, а не математики. Приведу отрывок из предисловия Эйлера о сохранении состояния:
«В первой главе я излагаю основные свойства движения и то, что обычно говорят о скорости, о пути и о времени. Затем я указываю всеобщие законы природы, которым следует свободное тело, не подверженное действию сил. Тело подобного рода, раз оно находится в состоянии покоя, должно вечно пребывать в покое; если же оно имело движение, оно вечно должно двигаться с той же скоростью по прямому направлению. Оба эти закона наиболее удобно можно представить под именем закона сохранения состояния. Отсюда вытекает, что сохранение состояния является существенным свойством всех тел и что все тела, пока они остаются таковыми, имеют стремление или способность навсегда сохранить своё состояние, а это есть не что иное, как сила инерции. Правда, не очень удачно причине этого сохранения дано имя силы, так как она неоднородна с другими собственно так называемыми силами, каковы, например, сила тяжести, и с ними не может сравниться. В эту ошибку обычно попадали многие и прежде всего метафизики, обманутые двусмысленностью этого слова. Так как всякое тело по своей природе пребывает в том же состоянии или покоя или движения, то если тело не следует этому закону, но движется или неравномерно или по кривой, – это нужно приписать действию внешних сил. Такого рода внешними силами являются силы, о равновесии и сравнении которых трактуется в статике и которые, воздействуя на тело, изменяют его состояние, или приводя его в движение, или ускоряя, или замедляя, или же, наконец, меняя его направление.
Во второй главе я исследую, какого рода действие должна проявлять каждая сила по отношению к свободной точке, – находится ли эта точка в покое или движется. Отсюда выводятся истинные принципы механики, которыми должно объяснить всё, что касается изменения движения. Так как до сих пор они были подкреплены слишком слабыми доказательствами, я доказал их так, чтобы для всякого было ясно, что они не только достоверны, но с полной необходимостью являются истинными.
Изложив принципы, на основании которых можно понять, каким образом, с одной стороны, сохраняется движение, с другой, – оно возникает или изменяется под влиянием сил, я перехожу к определению и исследованию самого движения тел, как-либо приведенных в движение при помощи сил. И прежде всего, конечно, я рассматриваю прямолинейное движение как самое лёгкое для определения; оно возникает, если под действием одной только силы свободная точка или бывшая в состоянии покоя приводится в движение, или находящаяся уже в движении ускоряется или замедляется в направлении действующей силы. Этому исследованию я посвятил третью и четвёртую главы. В первой из них я исследую прямолинейное движение в пустом пространстве, во второй – то же прямолинейное движение в так или иначе сопротивляющейся среде. Хотя сопротивление можно свести к собственно так называемым силам, в этом сочинении мне показалось полезным изложить учение о перемене движения отдельно от сопротивления как по примеру других, которые писали по этому вопросу, так и вследствие существенной разницы, которая существует между абсолютными силами и сопротивлением. Ведь абсолютная или собственно так называемая сила имеет определённое, от движения тела не зависящее направление и сверх того одинаково воздействует как на тело, находящееся в движении, так и на тело, находящееся в покое; наоборот, направление сопротивления всегда совпадает с направлением самого движущегося тела и его величина зависит от скорости тела. Хотя в природе не встречается другого сопротивления, кроме того, которое пропорционально квадрату скорости, но я подверг обсуждению ещё некоторые другие виды сопротивлений как для того, чтобы дать решение большего количества задач, касающихся движения в сопротивляющейся среде, так и, главным образом, для того, чтобы иметь случай предложить много прекрасных примеров вычисления.
Наконец, в двух последних главах я рассмотрел криволинейное движение тел, которые возникают, когда направление движущих сил не совпадает с направлением брошенного тела. В этом случае тело постоянно отвлекается от прямого пути и принуждено двигаться по кривой. В пятой главе я изложил подобного рода криволинейное движение в пустоте, в шестой я рассмотрел его же в сопротивляющейся среде. Главные задачи, которые даны в этих главах, заключаются в том, чтобы определить кривую, по которой может двигаться любое брошенное тело, подверженное действию каких угодно сил, и вместе с тем дать скорость тела в отдельных точках этой кривой, – при этом как в пустоте, так и в сопротивляющейся среде. Из этих основных предложений возникли тогда и другие, где или по данной кривой, описанной телом, или по тому или иному данному виду движения требуется найти как движущие силы, так и сопротивление. И в этом случае я прежде всего стремился к тому, чтобы охватить все относящиеся сюда задачи, разобранные Ньютоном и другими авторами, и дать настоящие решения на основе аналитического метода. На этом заканчивается этот первый том, который, равно как и второй, я составил так, чтобы человек, имеющий достаточный опыт в анализе конечных и бесконечных, мог с поразительной лёгкостью всё это понять и всё это произведение прочесть без чьей бы то ни было помощи»
Грандиозность и простота работ Эйлера, конечно, меня тронула до глубины души, если учитывать, что до него вообще не было понимания скорости движения как отношения пройденного отрезка пути к промежутку времени.
И даже в этом вышеприведенном отрезке бросилась в глаза фраза о направлении сопротивления, всегда совпадающем с направлением самого движущегося тела!
Поразмыслив над этим определением Эйлера пару секунд, я с ним согласился.
Ведь на самом деле я прочувствовал на себе действие сопротивления в детстве, когда летел с крутой горы на неуправляемых лыжах (валенки, продетые в лямки лыж), увидел перед собой препятствие (пень), сделал в воздухе сальто-мортале и благополучно приземлился в сугроб, поломав только одну лыжу. Не знаю, каким образом удалось избежать повреждений тела, но запомнил, познал истину – моё сопротивление, направленное по ходу движения с горы, оказалось значительно меньше сопротивления неподвижного пня, оказавшегося на моём пути!
Перечитывая многократно разных учёных о сопротивлении движению и о трении, я понял, что многие из них не разделяют этих двух понятий вообще. Леонардо да Винчи, например, в записях говорит о сопротивлении как о трении, но в разных случаях, указывает на уклон поверхности, по которой движется тело, приводит или слово «трение», или «сопротивление». В рисунках же обозначены только те направления (связи), которые соединяют тело с двигателем. Понятие сил ввёл в обиход значительно позже Исаак Ньютон (для математических исчислений).
Говоря о направлении инерционных сил, я должен сделать своё умозаключение:
ОРИГИНАЛЬНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ VI
ИНЕРЦИОННЫЕ СИЛЫ НАПРАВЛЕНЫ НА СОХРАНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОКОЯ ИЛИ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ – СТАЛО БЫТЬ В ОБРАТНУЮ СТОРОНУ ОТ НАПРАВЛЕНИЯ КАКОГО БЫ ТО НИ БЫЛО ВОЗДЕЙСТВИЯ ВНУТРЕННИХ И ВНЕШНИХ СИЛ НА ТЕЛО, КОТОРЫМ ИЗМЕНЯЕТСЯ ЭТО СОСТОЯНИЕ ПОКОЯ ИЛИ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ.
Здесь и в дальнейшем я подразумеваю четыре рода основных сил, участвующих в любых энергетических потоках: движущая сила, сила трения, сила сопротивления и сила инерции. Две из них направлены в одну сторону (трение и инерция) и две – в другую (движущая и сопротивление).
Везде, где мной упоминается о каких бы то ни было силах, надо полагать, это есть условности, которые воспринимаются органами наших чувств. Поэтому, и теперь повествую (в этом и других моих рассказах) – что это всего лишь мои собственные мироощущения, хотя я не слишком хочу отклоняться от общепринятых учёными норм и стандартов. Я придерживаюсь международной системы измерения (СИ) и не отбрасываю познаний в области трения других исследователей.
Конечно же, я не критикую ничьё мнение и, тем паче, не рассматриваю работы Леонардо да Винчи, Эйлера, Кулона и других замечательных учёных как имеющие некие недочёты, неоднозначности, даже может быть наивности или заблуждения, наоборот, только при их помощи мне удалось самому в некоторой степени узнать больше, «прозреть» в столь запутанном вопросе, как распределение сил.
Например, в записях к рисунку 230 у Леонардо да Винчи поясняется так:
«Тело а не отдает двигателю n никакой части своего веса, так как это весомое тело давит только на горизонтальную поверхность, на которой оно лежит. Но этот двигатель нагружен только полным трением, равным половине (?) его тяжести (рис. 230).
Двигатель m, однако, не чувствует никакой части трения, так как он не трётся ни в одной части, но этот двигатель нагружается всем поддерживаемым им естественным весом»
В этом примере я обращаю внимание на знак вопроса, который явствует, что на самом деле вопрос о трении покоящегося тела не был исследован Леонардо да Винчи до конца, а указанная половина тяжести – это лишь интуитивное чувство.
Другие учёные, например Амонтон, в отличие от Леонардо да Винчи, выявили по собственным соображениям, что на трение от тяжести тела приходится не 25%, а 30%. На самом же деле воспроизвести опыт по рисунку 230 не получится, так как соединяющая нить и так называемые «двигатели» n и m не могут работать без неподвижного блока А (Рис. 4), либо другого поддерживающего устройства. Но и при этом нить должна обладать одновременно гибкостью, чтобы огибать блок А, а так же определённой жёсткостью, чтоб не провисать на пути от тела а к двигателю n (Рис. 230).
Понятно, если это будет подходящая по гибкости проволока, верёвка или канат, то на большой длине от тела а до двигателя n – непременно прогнётся, опустится своим весом на горизонтальную поверхность, если тяжесть тела b будет слишком мала для страгивания и распрямления прежде всего самой соединительной нити.
Таким образом, в эту систему, состоящую из тела а и тяжести b, вмешивается дополнительно вес и трение о горизонтальную поверхность ещё самой нити.
Что касается распределения сил трения, инерционных и движущих, а также сил сопротивления, приведу пару примеров из собственной жизни.
Не только я, но и многие катались (скользили) по льду в ботинках, ощущая трение и заносы в ту или иную сторону. Можно ненароком шлёпнуться, если устойчивость тела нарушена. Для большей устойчивости я всегда направлял ботинки не прямо по ходу движения по льду, а чуть с разворотом (по диагонали), если же направить ботинки поперёк движению, устойчивость ещё повысится, но уменьшится путь.
Такое явление показывает мне разность сил трения скольжения при одинаковой площади поверхности подошвы ботинок!
Те же самые заносы происходят и у лихачей, гоняющих на авто по льду.
Вторым примером является распределение сил качения на детской карусели, которая установлена нынче буквально в каждом дворе. Основная движущая сила направлена по касательной при раскрутке карусели. Трение существует лишь в опоре (подшипник качения). Инерция в начальный момент страгивания карусели прижимает к сидению ребятишек, а вот если резко остановить карусель, либо наткнуться на препятствие во время движения по кругу, можно улететь по ходу движения вперёд из-за силы сопротивления (препятствию).
Однако, возникают ещё две «побочные» силы в самом вращающемся круге – это центростремительная и центробежная силы, направленные в противоположные стороны. Как раз эти две «побочные» силы «портят» всю картину распределения сил до такой степени, что уже никто не понимает, какая сила куда направлена!
Как и с заносами теряется устойчивость, так и с крутящим моментом нарушается привычная (ожидаемая органами чувств) картина кругового движения. Дети любят драйв (скорости), непредсказуемость ощущений, в том числе от полётов, которые нередко приводят к ушибам, царапинам и травмам. Мир в ощущениях прекрасен, но и в какой-то степени опасен!
Можно приводить множество примеров распределения сил, особенно у гимнастов, фигуристов, слаломистов и других спортсменов, оттачивающих своё мастерство в чувствах! Именно ощущения от тренировок и приобретаемый опыт с годами даёт результат.
Говоря о силах в общем и о силах трения в частности, мне приходится отметить, что учёные, занимавшиеся и занимающиеся исследованиями в области трения не сильно продвинулись в понимании феноменального закона Кулона, основанного на опытах Леонардо да Винчи, Амонтона, Эйлера и других (XV – XVIII века).
Феномен закона Кулона, с моей точки зрения, состоит в том, что им пользуются до сих пор как основополагающим, и в учебниках по физике можно встретить разные противоречивые сведения о трении, как и то, что «сила трения зависит от многих факторов, некоторые из которых иногда не поддаются учёту (наличие на трущихся поверхностях оксидов, влаги, адсорбированных газов и т.п.). Строгая теория сил трения покоя, как и сил сухого трения, ещё не создана»
Но мне здесь не хочется оканчивать первую часть рассказа на «грустной ноте», как это часто бывает в статьях учёных, где начинают «за здравие», переходят на излюбленные математические формулы, а в выводах заканчивают «за упокой»
Говоря о поправке, которую внёс Кулон в свой же закон в 1781 году, где добавил в формулу число А как часть трения, зависящую от “сцепляемости” поверхностей трения, я бы как минимум видоизменил её на более строгую закономерность:
Fтр. = f * N ± А ,
что очевидно и явствует абсолютно из всех экспериментов, проведенных начиная с Леонардо да Винчи и заканчивая мной.
Ещё Эйлер в замечательном анализе об исчислении дополнительных скоростей в единицу времени вводил в формулы знак ±, подразумевая ускорение под знаком «плюс» и замедление под знаком «минус» для любых точек и тел.
Переходя ко второй части изложения данного рассказа, мне необходимо обратить внимание на тот факт, что в XV – XVIII веках не было скоростных машин, коими человечество обладает сегодня. Поэтому и в понимании динамики движения тел достаточно было в тяжелонагруженных механизмах облегчить трение смазкой. В этом случае (и только в этом случае!) для малошероховатых контактирующих поверхностей довольно больших размеров можно было утверждать, что трение не зависит от величины поверхности трущихся тел.
Новая парадигма трения пришла ко мне в голову не из «пустого места», а именно из основных неучтённых другими учёными записок от Леонардо да Винчи. Здесь остаётся привести записи гения XV века, на которых выстроена моя парадигма.
Из перевода первоисточника М.А.Гуковским:
«О простых передвижениях (lirari) плотных тел одного по другому.
“Так как трение плотных тел всегда равно четвертой части трущихся тел... Но в сложных передвижениях, т. е. при помощи рычагов, каковые бывают разных родов, а именно простые и составные: простые – такие, в которых применяется только один рычаг; составные такие, в которых много рычагов двигают один другой, но здесь я буду говорить о простых”.
“Твёрдое (duro) движимое с твёрдой поверхностью”.
“Мягкое (tenero) движимое с мягкой поверхностью”.
“Мягкое движимое с твёрдой поверхностью”.
“Шероховатое (aspro) движимое с гладкой (pulito) поверхностью”.
“Гладкое движимое с шероховатой поверхностью”.
“Шероховатое движимое с шероховатой поверхностью”.
“Гладкое движимое с гладкой поверхностью”.
“Шероховатое и твёрдое движимое с мягкой поверхностью”.
“Шероховатое твёрдое с шероховатым твёрдым – движение крайней трудности”.
“Шероховатое мягкое с шероховатым мягким – средней трудности”.
“Эти движения с действием промежуточных тел (con inter-ponimenti) – как когда песок помещается между движимым и поверхностью; и если промежуточные зёрнышки будут иметь круглую форму, движение будет лёгким; и когда промежуточные зёрна будут иметь больший размер, движение будет более лёгким, если они при этом круглы; и это свойство движения не есть особенность, присущая трущимся движениям, но имеет место также при движениях по жидкостям и трение...”.
В приведенной записи мы видим неоконченную и фрагментарную, но вполне ясную попытку расположить все возможные случаи трения в определённую таблицу. Близка к двум вышеприведенным и следующая запись:
“О материале, наиболее сопротивляющемся при трении. Трение происходит трояким образом, а именно: твёрдое с твёрдым, мягкое с мягким и мягкое с твёрдым. Соприкосновение же этих трёх разновидностей различается двух родов, из которых первое – простое соприкосновение трущихся тел, второе – составное соприкосновение. В простом соприкосновении (между трущимися поверхностями не попадает (nom s; intramette) никакое вещество, но только самые эти поверхности соприкасаются между собой. При составном же соприкосновении разные вещества попадают между поверхностями трущихся тел, причём эти вещества тем более стирают вышеназванные тела, чем более шероховаты эти поверхности. Но если трущиеся тела будут обладать разной твёрдостью, то более мягкое стирает более твёрдое, и происходит это вследствие шероховатости находящегося между поверхностью вещества, которое въедается в вещество меньшей твердости и, укрепившись в нём, работает как напильник, каковым затем стирает более твёрдое вещество”.
“Но если вещества обладают равной твёрдостью, тогда помещённое между поверхностями вещество размалывает само себя, если оно менее твёрдо, чем трущиеся вещи, но если оно более твёрдо, то оно поглощает это трение, точно так же, как два напильника равной силы стирают (si faccino) один другой”.
Таким образом, Леонардо во всех приведенных нами записях старается определить влияние как твёрдости, так и шероховатости трущихся поверхностей на величину трения и на состояние самих этих поверхностей. Результатом всех этих попыток является утверждение, что различная твёрдость и шероховатость изменяют величину трения, которая в идеальном, теоретическом случае равна четверти давления; попытки же численно определить величину трения при разных комбинациях поверхностей, найти Экспериментальные коэффициенты трения мы, как и следовало ожидать, у Леонардо не находим. Наиболее общую формулировку зависимости величины трения от свойств трущихся поверхностей, опять-таки без всякой попытки количественно подойти к вопросу, мы находим в позднем “Кодексе Арундель”.
“Трения весов имеют столько разных сопротивлений, насколько разнообразны тела трущихся друг о друга весов, и в зависимости от того, будут ли поверхности трущихся друг о друга весов плотными и с сопротивляющейся плоскостью, тем большее соприкосновение будет иметь сопротивление, равное малому”.
Комментарии к переводу Гуковского, как говорится, излишние.
Ясность и простота, у Леонардо да Винчи – в отсутствии формул и “излишеств”.
Перед переходом ко второй (не теоретической, но практической!) части рассказа о Новой парадигме трения, остаётся отметить, как я соотношу основные движущие силы природы с четырьмя агрегатными состояниями веществ. Движущая сила, в том числе тяжесть, у меня ассоциируется с огнём, сила трения – с землёй, сила инерции – с водой, а сила сопротивления, включая подъёмную, – с воздухом.
Я не путаю сопротивление движущегося тела и сопротивление среды и осознаю, что в природе воздух содержит частички воды, а вода – частички воздуха. Если вникнуть в суть энергетических взаимодействий, становится ясно, что все четыре агрегатных состояния тесно переплетены между собой.
Я совершенно уверен, что можно выбрать такие способы движения, в которых все силы взаимодействия в совокупности будут оказывать наименьшее влияние на движущееся материальное тело, и таким образом, трение будет отбирать не четвёртую часть от движущейся энергии (давления), как у Леонардо да Винчи, и тем более, не треть, как у Амонтона, а на порядок меньше, – 2-3%!
Для этого нужно принимать в расчёт не геометрическую арифметику античности и не параметрическую (сравнительную) алгебру, распространённую в средние века, и даже не математический анализ, введённый Эйлером для идеализированных (абстрактных) представлений движения материальных точек и тел, а кибернетику реальных процессов, происходящих во взаимодействии энергетических потоков, встречающихся в природе.
На этой аккордной ноте я наконец завершаю первую часть рассказа и перехожу ко второй.