Трение качения


Тре́ние каче́ния  — сопротивление движению, возникающее при перекатывании тел друг по другу т.е. сопротивление качению одного тела (катка) по поверхности другого, как правило, неподвижного (дорога, трос и пр.). Причина трения качения — деформация катка и опорной поверхности, а также силы адгезии, при которой нормальная реакция опоры смещается от центра тяжести тела в сторону качения. При этом возникает пара сил, создающая момент, направленный в сторону, противоположную качению и, таким образом, препятствующий качению. Качение колеса может происходить без проскальзывания в пятне контакта и с проскальзыванием ("пробуксовка"). При отсутствии проскальзывания в пятне контакта, возникает сила трения покоя, которая может принимать значения от 0 до некоторого предельного значения, которое является силой трения скольжения, что приводит к возникновению проскальзывания.

Силу трения покоя обычно называют силой сцепления, чтобы отличать от силы трения покоя, возникающей при контакте тел, не способных катиться. Сила сцепления может быть направлена как в сторону качения, так и в противоположную сторону. Сила сцепления при качении играет двоякую роль. Если сила сцепления направлена в сторону качения, она способствует перемещению центра колеса, но препятствует его качению. Если сила сцепления направлена противоположно движению, она препятствует перемещению центра колеса, но при этом способствует качению. Ниже это будет видно из математических выражений.

Величина силы сцепления намного меньше силы трения скольжения. Это обстоятельство приводит к тому, что качение играет огромную роль в современной технике, в частности при перемещении тел в пространстве. Например, известны случаи в истории, когда многоэтажный дом перекатывали с одного места на другое, поставив на катки[1]. Изобретение колеса и таким образом замена трения скольжения на трение качения является величайшим достижением цивилизации[2].

Следует заметить, что качение может возникнуть только на шероховатой поверхности. По гладкой поверхности качение невозможно.

Контактное напряжение в пятне приводит к упругому и/или пластическому деформированию тел, что влечёт микропроскальзывание поверхностей, пластическое течение в пятне контакта и вязкоупругий гистерезис. Как и адгезивное взаимодействие, все эти процессы термодинамически необратимы и ведут к потере энергии, т.е. вызывают сопротивление качению[3]. При этом обычно предполагается, что катящееся тело (колесо) не осуществляет тяговую или тормозную функцию (например, колесо локомотива, разгоняющего состав или заторможенное колесо вагона), так как при этом возникают дополнительные потери на трение в пятне контакта, вызванные не только нормальным контактным напряжением, а ещё и касательным, т.е. под трением качения понимается чистое трение качения.


Рис. 1. Силовая схема равновесия колеса с учетом трения качения при действии активной силы
Рис. 2. Силовая схема качения колеса с учетом трения качения при действии активного вращательного момента (пары сил)
Рис. 3. Силовая схема качения колеса с учетом трения качения при действии произвольной системы активных сил
Рис. 4. Силовая схема качения колеса с учетом трения качения при действии произвольной системы активных сил при наличии проскальзывания