Случаи жидкостного и граничного трения сопоставляются на рис. 3, где A – движущаяся поверхность, B – неподвижная поверхность, а C – пленка. Шероховатость поверхностей для наглядности сильно преувеличена. В условиях граничного трения (рис. 3,а) некоторые выступы соприкасаются друг с другом. В случае же жидкостного трения (рис. 3,б) движущиеся части полностью разделены достаточно толстой пленкой смазки.

(22.24 Кб)

Вязкость. Вязкость жидкости определяется соотношением, которое экспериментально установил И.Ньютон. Если пространство между двумя горизонтальными параллельными пластинами заполнено жидкостью и меньшая верхняя пластина движется с постоянной скоростью, тогда как нижняя остается на месте, то выполняется равенство

где F – сила, необходимая для поддержания равномерного движения пластины, A – площадь поверхности и V – скорость верхней властины, h – толщина жидкой пленки между пластинами и m – коэффициент пропорциональности, называемый абсолютной (динамической) вязкостью. В системе единиц СИ абсолютная вязкость измеряется в пуазах. Таким образом, пуаз (Пз) определяется как сила в ньютонах, необходимая для того, чтобы пластинка площадью 1 двигалась с постоянной скоростью 1 см/с параллельно плоскости, расположенной на расстоянии 1 см от нее. На практике чаще пользуются в сто раз меньшей единицей (сПз). Вязкость, выраженную в сантипаузах, обычно обозначают буквой Z. Вязкость воды при 20° С почти точно равна 1 сПз. (Название «пуаз» дано в честь французского физика Жана Пуазейля.) В нефтяной промышленности для вязкости принята условная шкала «секунд Сейболта», соответствующая скорости течения исследуемой жидкости по капиллярной трубке стандартного диаметра. Прибор для таких измерений называется универсальным вискозиметром Сейболта.

Таким образом, с одной стороны, вязкость, как внутреннее трение, является причиной выделения тепла и потерь энергии, а с другой – она позволяет жидкой пленке смазочного материала удерживать нагрузку.

Пленка, несущая нагрузку. Рассмотрим простейший случай, представленный на рис. 4,а. Плоские поверхности, обозначенные буквами AB и CD, параллельны друг другу, а их площадь бесконечно велика. Поверхность AB движется с постоянной скоростью V. Поверхность CD неподвижна. Толщина жидкой пленки, разделяющей поверхности, равна h.

(16.19 Кб)

Такую пленку можно представить себе состоящей из отдельных молекулярных слоев, на которые действуют силы сдвига (картина, характерная для пограничного слоя; см. ГИДРОАЭРОМЕХАНИКА). Эти слои скользят один относительно другого, как игральные карты в колоде. Будем считать, что в контакте приповерхностного слоя жидкости с соответствующей поверхностью нет проскальзывания, и, следовательно, слой, соприкасающийся с движущейся пластиной, перемещается со скоростью V, а слой, прилегающий к неподвижной плоскости, имеет скорость, равную нулю. Скорость частицы жидкости, находящейся в какой-либо промежуточной точке между поверхностями, пропорциональна расстоянию от этой точки до поверхности CD. (Жидкость, для которой выполняется это условие линейности, называется ньютоновской. Большинство смазочных масел при обычных температурах относится к таким жидкостям.) Стрелками разной длины показаны скорости жидкости в разных точках в сечениях MN, PQ и ST пленки. То обстоятельство, что распределение скоростей MO в сечении MN является прямолинейным, указывает, что напряжение сдвига постоянно по толщине пленки. Поскольку рассматривается несжимаемая жидкость, площади распределений скорости, например MNO, пропорциональны количеству масла, проходящего через соответствующие поперечные сечения зазора. На рис. 4,а поток одинаков во всех сечениях пленки. Давление во всех точках пленки равно нулю, и она не может удерживать никакой нагрузки.

Рассмотрим теперь случай, показанный на рис. 4,б. Здесь движущаяся плоскость, как и прежде, неограниченна, тогда как неподвижная имеет конечную протяженность; остальные условия остаются прежними. Вся масса пленки, покрывающей движущуюся поверхность, до зазора перемещается со скоростью, одинаковой во всем поперечном сечении пленки, например HJ, приближаясь к положению MN, где она входит в зазор. В сечении MN первоначально равномерное распределение скоростей пленки искажается. Вблизи неподвижной пластины появляется напряжение сдвига, что показывает линия MO. Это связано с инерционными и вязкостными эффектами при резком изменении скорости пленки от значения, равного V, до нуля в точке M. При дальнейшем движении распределение скоростей продолжает меняться. В силу инерции через сечение MN входит несколько больше смазки, чем выходит через сечение ST. Избыточная часть перетекает под прямым углом к направлению движения. Вследствие такого эффекта в пленке возникает внутреннее давление, величина которого зависит от плотности и вязкости смазки, а также от скорости движения V. Но это давление весьма невелико и может поддерживать лишь очень небольшую нагрузку.

На рис. 4,в показано, что происходит, когда верхняя пластина ограниченной протяженности движется в сторону параллельной нижней бесконечной плоскости. Жидкость при этом выдавливается в соответствии с распределениями скоростей, и вследствие вязкостного перетекания внутри пленки возникает давление. Давление максимально в сечении PQ, равноудаленном от сечений MN и ST. Скорость жидкости в сечении PQ равна нулю. Справа от этого сечения жидкость выдавливается вправо, а слева от него – влево. Штриховой линией F показано возникающее при этом распределение давления по поверхности SPM верхней пластины. Таким образом, пленка вязкой жидкости способна удерживать нагрузку, равную этой поверхностной силе, если такая пленка находится между двумя сближающимися пластинами.

назад   дальше