Tření je fyzická síla, ke které dochází při kontaktu obou povrchů a brání jejich sklouznutí vůči sobě navzájem. Možná jste si všimli, že při pokusu o posunutí těžkého předmětu z místa je třeba vynaložit větší úsilí než při jeho klouzání po již pohyblivém povrchu. Tento jev je vysvětlen tím, že klidová třecí síla je menší než třecí síla skluzu.
Klidová třecí síla nastává, když jsou dva povrchy v klidu vůči sobě a jeden z nich se snaží zahájit pohyb. V tomto případě se mezi povrchy vytvářejí mikroskopické nerovnosti, které se navzájem zachycují a vytvářejí odpor k pohybu. Když je však potřeba předmět posunout, síla klidového tření se překoná a nerovnosti začnou klouzat po sobě.
Na rozdíl od klidové třecí síly dochází k tření skluzu při již zavedeném pohybu předmětu. Povrchy, se kterými je pohybující se předmět v kontaktu, přicházejí do kontaktu a znovu vytvářejí nerovnosti, ale v tomto případě již odpor k pohybu není tak silný, protože mezi nerovnostmi se vytvoří film mazací kapaliny.
Příčiny menší klidové třecí síly ve srovnání se silou kluzného tření
Mezi hlavní důvody, proč je klidová třecí síla menší než síla posuvného tření, patří:
- Intermolekulární interakce. Třecí síla je způsobena interakcí molekul povrchů. V případě klidové třecí síly existují mezi molekulami přitažlivé síly, které udržují povrchy v klidu. V případě třecí síly skluzu, za přítomnosti pohybu, dochází k dalším mezimolekulárním odpudivým silám, což vede k větší třecí síle.
- Zakřivení povrchů. Vzhledem ke zakřivení povrchů, při síle klidového tření jsou kontaktní body obou povrchů menší než při tření skluzu. To vede ke snížení kontaktní plochy a tím ke snížení klidové třecí síly.
- Přítomnost stěru. V případě klidové třecí síly může mezi povrchy existovat vrstva nátěru, která snižuje tření. Stěr může být vytvořen buď přirozeně (například přítomností kapaliny) nebo mazivem. Při síle posuvného tření jsou stěry zmačkané a třecí odpor se zvyšuje.
- Deformace povrchů. Během posuvné třecí síly se povrchy mohou deformovat a přestavovat, což zvyšuje tření. V případě klidové třecí síly zadržující síly mezi molekulami neumožňují deformaci povrchů a tření zůstává menší.
Obecně platí, že klidová třecí síla je menší než třecí síla skluzu v důsledku interakcí mezi molekulami, zakřivení povrchů, přítomnosti výtěru a deformace povrchů. Tyto faktory určují různé chování třecí síly v závislosti na stavu povrchů.
Hladký povrch a nedostatek mikronerencí
Pokud se podíváme na dvě tělesa, která jsou v kontaktu a zažívají tření, můžeme si všimnout, že v klidu mezi těmito tělesy vzniká tzv. "vakuum" mazání. Hladký povrch a nedostatek mikronerencí umožňují menší třecí síle udržet těla v klidu.
Při sklouznutí však dochází k vzájemnému posunu těles vůči sobě navzájem. V tomto případě mikronerence dotykových povrchů narušují pohyb a vytvářejí větší třecí sílu.
Hladký povrch a nedostatek mikronerencí tedy hrají důležitou roli při určování třecí síly. Čím hladší je povrch, tím menší je tření a tím snazší je pohyb klidového těla. Zároveň přítomnost mikronérií výrazně zvyšuje třecí sílu při sklouznutí.
Elastické deformace povrchu
K deformaci povrchu dochází pod tlakem jiného tělesa nebo aplikované síly. Pokud na povrch působí pouze normální síla, pak se povrch deformuje ve směru normálu, to znamená, že většinou dochází ke stlačení nebo natažení. V tomto případě se hovoří o elastických deformacích.
Elastické deformace významně přispívají k síle tření. Když se jedno těleso pohybuje po povrchu jiného tělesa, dochází k deformaci povrchu v oblasti jejich kontaktu. V důsledku deformace vznikají vnitřní síly, které zabraňují sklouznutí těl k sobě navzájem.
Při klidu těla na povrchu dochází k elastické deformaci povrchu, která může bránit začátku pohybu těla (tzv. klidová třecí síla). To je způsobeno interakcí mikrovýstupů a prohlubní dvou těles, která se při kontaktu pohybují proti sobě. V tomto případě dochází k povrchovým deformacím, které způsobují vznik další třecí síly, která brání pohybu.
Při klouzání těles po povrchu dochází k intenzivnější deformaci povrchu, což vede ke vzniku třecí síly skluzu. Při sklouznutí se prohlubně jednoho těla "zaháknou" na výběžky povrchu druhého těla, což způsobí vzájemný odpor a způsobí, že se těla třením zahřejí.
Elastické deformace povrchu jsou tedy klíčovými body, které ovlivňují sílu tření. Během klidu jsou deformace povrchu méně intenzivní a brání začátku pohybu těla, zatímco při sklouznutí dochází k intenzivnějším deformacím, které způsobují třecí sílu skluzu.
Změna stavu povrchu při skluzu
Třecí síla, ke které dochází mezi dvěma tělesy při jejich deformaci a sklouznutí, závisí na stavu povrchu kontaktu. Při klidovém tření jsou povrchy těsně v kontaktu a interagují mikroskopickými výběžky a prohlubněmi a vytvářejí nerovnosti.
Při sklouznutí se však stav povrchu výrazně mění. Působením tangenciální síly jsou výběžky odříznuty a prohlubně vyplněny jinými částicemi nebo změkčeny. V důsledku toho je povrch plochý a hladký. To umožňuje tělesům klouzat mezi sebou s menším odporem.
Klidová třecí síla je tedy způsobena mikroskopickými abnormalitami na povrchu, které zabraňují sklouznutí, zatímco třecí síla skluzu nastává, když se změní stav povrchu v důsledku deformace a odříznutí mikroskopických výstupků.