9.2: Трение и тяга

Одна из наиболее важных основ, которую ученики должны изучить перед тем, как приступить к проектированию ходовой части, это трение.

ТРЕНИЕ - это сила, сопротивляющаяся движению, когда две поверхности притираются друг к другу. Это исключительно противодействующая сила, возникающая, когда две поверхности находятся в контакте друг с другом и под действием силы, заставляющей их скользить друг относительно друга. Если на объект не воздействует сила, провоцирующая его к попытке движения, трение также отсутствует. Отсутствие воздействующей силы означает отсутствие противодействующей силы.

Существуют два типа трения: статическое трение и кинетическое трение.

Статическое трение представляет собой силу трения, действующую между двумя объектами, которые НЕ перемещаются друг относительно друга. Для того, чтобы сдвинуть что-либо, требуется предварительное усилие. Если значение силы, пытающейся сдвинуть объект, меньшее значения силы статического трения, объект не сможет сдвинуться с места.

Кинетическое трение - это сила трения, действующая между двумя поверхностями, перемещающимися (скользящими) друг относительно друга.

Как только объект преодолел статическое трение и начал движение, он попадает под воздействие кинетического трения, сопротивляющегося движению.

На графике выше показана обратная взаимосвязь между приложенной силой и трением. С увеличением приложенной силы, противодействующая сила трения также увеличивается. Вплоть до момента, когда объект сдвинется с места, на него действует статическое трение. Как только значение приложенной силы превысит максимальное статическое трение, масса начнет двигаться. Сразу после начала движения объект окажется под действием кинетического трения. Статическое трение больше кинетического трения, поэтому если масса уже сдвинулась, для дальнейшего скольжения ей потребуется меньше силы.

Оба типа трения можно имитировать, уперев ладонь одной руки в ладонь другой руки и попробовав подвигать ими скользящим движением. Этому движению будет противодействовать текстура кожи и величина приложенной силы. Чем плотнее ладони прижаты друг к другу, тем сложнее ими двигать. Это статическое трение.

По мере увеличения скользящей силы, руки начинают скользить и двигаться друг относительно друга. Это кинетическое трение. Можно заметить, что как только руки преодолели статическое трение, двигать ими стало проще.

Существует два фактора, определяющих максимальную силу трения, возникающую между двумя поверхностями: «цепкость» поверхностей (известная как коэффициент трения поверхностей), а также плотность прижатия поверхностей друг к другу (известная как нормальная сила).

Максимальная сила трения (Ff) между двумя поверхностями равна коэффициенту трения (Cf) этих поверхностей, умноженному на нормальную силу (N), удерживающую поверхности вместе.

Максимальная сила трения = (Коэффициент трения) х (Нормальная сила)

Ff = Cf x N

КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ:

Как уже говорилось выше, коэффициент трения является постоянной величиной, отражающей «цепкость» двух поверхностей, скользящих друг относительно друга. Необходимо обратить внимание на то, что это трение не одной скользящей поверхности, а двух. Например, покрышка сама по себе НЕ ОБЛАДАЕТ коэффициентом трения, но покрышка, скользящая по мостовой, ОБЛАДАЕТ коэффициентом трения.

Коэффициент трения скользких объектов чрезмерно мал, тогда как коэффициент трения липких объектов - очень велик. Эта постоянная величина определяется для пары поверхностей (не для единственной поверхности). Каждая пара материалов обладает коэффициентами статического и кинетического трения.

При этом нельзя путать чистое трение с действительно липкими поверхностями, такими как, например, изолента или покрытия с большим коэффициентом трения, связывающиеся с другими поверхностями. Подобные поверхности, соединяясь, должны выглядеть как одна. Например, изолента сопротивляется скольжению даже в том случае, когда нормальная сила отсутствует или имеет отрицательное значение.

НОРМАЛЬНАЯ СИЛА:

Сила, прижимающая две скользящие поверхности друг к другу, называется нормальной силой. Действие нормальной силы всегда направлено перпендикулярно двум поверхностям (в противном случае эта сила может действовать как нормальная сила лишь частично). Зачастую нормальная сила, воздействующая на две поверхности, является массой одного объекта, располагающегося сверху на другом объекте. В этом случае действие нормальной силы спровоцировано гравитацией.

Как показано на схеме выше, если объект лежит на наклонной поверхности, гравитация действует на две скользящие поверхности не под прямым углом. В этом случае, только часть массы объекта действует как нормальная сила.

ТЯГА:

ТЯГА может быть определена как трение между ведущим колесом и поверхностью, по которой оно катится. Это количество силы, которое колесо прикладывает к поверхности перед тем, как соскользнуть. Колесо обладает разной тягой на различных поверхностях. Как описывалось выше, значение коэффициента трения определяется для любых двух поверхностей.

Из Блока 7 и схемы, представленной выше, видно, что колесо прикладывает силу к поверхности под действием крутящего момента. Тем не менее, если бы колесо катилось по льду, оно просто проскальзывало бы, не двигаясь с места. Трение, возникающее между колесом и поверхностью земли, необходимо для создания линейного движения. Это тяговое усилие, или сила тяги.

Необходимо обратить внимание на то, что сила тяги равна силе трения между колесом и поверхностью. Если колесо катится по поверхности, а не скользит, сила тяги равна статическому трению. Если приложенная сила превышает максимальное статическое трение, колесо начинает скользить, и теперь сила тяги равна максимальному кинетическому трению.

Увеличение тяги:

Так как тяга зависит от трения между поверхностью и колесом, чтобы увеличить ее значение, необходимо увеличить трение. Как говорилось выше, трение между объектами зависит от коэффициента трения между ними (в данном случае, между колесом и поверхностью, по которой оно катится) и нормальной силы (массы робота, прижимающей колеса к поверхности). Чтобы увеличить тягу, увеличить либо коэффициент трения (сцепление колес), либо нормальную силу, действующую на колеса (массу робота).
 

Сборка толкающего робота:

Чтобы собрать робота, способного толкать или тянуть с большой силой, необходимо включить в конструкцию два элемента: колеса повышенной проходимости и значительный крутящий момент для приведения их в движение. Трение - это противодействующая сила. Если нет приложенной силы, сила трения также отсутствует. Чтобы увеличить тягу, к колесам необходимо приложить крутящий момент, достаточный для достижения максимального статического трения колес.

Автомобиль может обладать огромной тягой, но при малых размерах двигателя он не сможет толкать или тянуть что либо. Поэтому маленькие автомобили не могут тянуть за собой трейлеры или катера на прицепах.

Трение в системе VEX:

В системе проектирования VEX Robotics Design System используется множество элементов, которые могут применяться для получения трения, включая различные типы колес. Каждый из них обладает характеристиками, необходимыми для использования на различных поверхностях. Для проектировщика очень важно экспериментальным путем определить тип колес, требуемый для каждой отдельной задачи.

Трение между колесами и поверхностью пола - не единственный вид трения, применяемый в конструкции робота VEX. Существует также трение, притормаживающее вращающиеся компоненты робота и уменьшающее количество мощности на выходе электромотора. В системе проектирования VEX Robotics Design System есть ряд частей, предназначенных для уменьшения трения. Использовать соединения типа «металл к металлу» в подвижных системах не рекомендуется. Пластиковые части, например, опорные блоки, прокладки и шайбы, позволяют снизить значение трения в точках контакта подвижных частей.