Особенности взаимодействия твердых тел

Особенности взаимодействия твердых тел

5.1. Контактирование гладких поверхностей твердых тел

Понятие «идеально гладкая» для поверхности является идеализированным, поскольку «идеально гладких» поверхностей в окружающем нас мире нет. Наиболее гладкими можно считать, например, поверхность скола кристалла слюды или другого минерала. Однако если иметь в виду, что кристаллы представляют собой систему атомов или ионов, имеющих свои сферические электрические поля, и расположенные на некотором расстоянии друг от друга, то на самом деле и в этом случае они представляют собой некоторую сложной формы поверхность, образованную рядом сфер, удаленных друг от друга на некоторое расстояние. Поэтому к понятию «идеально гладкой» поверхности следует относиться очень осторожно, понимая при этом, что тонкие взаимодействия, происходящие на микроуровнях, на настоящем уровне развития мы еще неспособны наблюдать, и заведомо оставляем за собой возможность анализировать только процессы, происходящие на надмолекулярном уровне или еще более грубом. В этом случае поверхности, которыми мы будем манипулировать, будем считать гладкими.

При соприкосновении двух гладких реальных тел следует различать явно выраженные номинальную (кажущуюся) Аа, контурную Ас и фактическую (истинную) Аr площади контакта (рис. 5.1), каждая из которых обладает специфическими свойствами.

Номинальная площадь контакта НПК (Аа) определяется внешними геометрическими размерами контактной зоны этих тел.

Контурная площадь контакта КПК (Ас) представляет собой совокупность пятен контакта, группирующихся на вершинах волн соприкасающихся поверхностей. Ее можно зафиксировать по отпечаткам на бумаге, фольге или краске специально вводимых в зону контакта твердых тел.

Фактическая площадь контакта ФПК (Аr) это совокупность контактов микронеровностей, образующих шероховатость поверхности.

A a

a

b

A c      A r

Рис. 5.1. Схема контактирования реальных твердых тел

С увеличением нагрузки фактическая и контурная площади контакта возрастают. Однако для многих случаев и материалов ФПК составляет не более 0,01...0,1 \%, а КПК порядка 5...15 \% от номинальной площади контактирующих тел. При очень высоких нагрузках и нагреве Ас приближается к Аa.

1          2          1

2

Рис. 5.2. Напряженное состояние контакта реальных твердых тел:

1 область пластического течения материала; 2 область упругой деформации с разными уровнями напряженного состояния материала

Нормальная нагрузка, отнесенная к фактической площади контакта, характеризует фактическое давление Рr, нагрузка же, отнесенная к контурной площади контурное давление Рс. Контурное давление обычно в несколько раз превышает номинальное давление Ра между телами. Благодаря этому очень часто материал на микровыступах деформируется пластически (рис. 5.2) и становится способным проявлять свои реологические свойства, что сказывается на изменении ряда характеристик материала (например, таких, как сопротивление сдвигу, вязкость и др.) в зависимости от скорости воздействия на тело внешней силы. В то же время на некотором удалении от мест пластического контакта материал деформируется упруго.