Tření je fundamentální fyzikální jev, který ovlivňuje pohyb a stabilitu těles ve vzájemném dotyku. Pochopení různých typů tření a jejich součinitelů je klíčové pro konstrukci a provoz dopravních prostředků, ale i pro návrh stavebních konstrukcí.
Typy tření v dopravě
V dopravě se setkáváme s několika typy tření, které hrají zásadní roli. Posledních 200 let naší civilizace je silně poznamenáno kolovými dopravními prostředky, ať už poháněnými lidskou silou nebo stroji. Všechna tato zařízení, od jízdních kol přes motocykly a automobily až po lokomotivy, mají jedno společné - uvádějí se do pohybu pomocí svých kol.
Při jízdě automobilu musíme uvažovat tři typy tření:
- Klidové tření: Děj, který se snaží zabránit tomu, aby se dvě tělesa po sobě posouvala. V místě dotyku pneumatiky se silnicí se kolo neposouvá, ale stojí. Klidové tření je rozhodující pro rozjezd vozidla. Velikost síly, která přitlačuje vozidlo k silnici, je většinou dána hmotností vozidla a tím, jak je jeho tíha rozložená na nápravy.
- Smykové tření: Nastává, když dojde k prokluzu kol. Motorkáři ve svých interních rozhovorech často používají pojmy „adheze a smyk“.
- Valivé tření: Děj, který se snaží zabrzdit valící se těleso.
Klidové tření a rozjezd vozidla
Motor vozidla se snaží roztočit zadní kola, ta díky tomu působí klidovou třecí silou na silnici. Velikost nejvyšší možné síly, kterou klidové tření zvládne (než se rozhodne přejít do smykového tření), je určena vzorcem \(F_\mathrm{S} = f_\mathrm{S}F_\mathrm{N}\), kde \(F_\mathrm{N}\) je přítlačná síla a \(f_\mathrm{S}\) je součinitel klidového tření.
Silniční vozidla mají vyhláškou omezenou sílu, kterou tlačí kola na vozovku (zatížení nápravy). Tato síla může být nejvýše 115 kN na jednu nápravu. Koeficient klidového tření mezi pneumatikou a silnicí je 0,5 (na asfaltu) nebo 0,7 (na betonu).
Čtěte také: Tření Mezi Betonem a Jinými Materiály
Pokud chceme dosáhnout větší síly k rozjezdu, řešením je více poháněných náprav, jejichž síly se sčítají. Například Tatra 813 Kolos s celkovou hmotností 21,3 tuny a všemi čtyřmi hnanými nápravami by mohla při rozjíždění na betonu působit silou téměř 150 kN.
Valivé tření v dopravě
\(\displaystyle F_\mathrm{V} = \frac{\xi}{r}F_\mathrm{N}\), kde \(F_\mathrm{N}\) je přítlačná síla, \(r\) je poloměr tělesa, které se valí, a \(\xi\) je rameno valivého odporu (závisí na materiálu kola i silnice).
Železnice vítězí nad silnicí valivým třením - rameno valivého odporu pro ocel na oceli je asi 7× menší než u pneumatiky na asfaltu a dokonce téměř 40× menší než u pneumatiky na betonu.
Pro představu - klasický krytý vagón typu Ztr má kola o průměru 1 metr, vlastní hmotnost 10,3 tuny a náklad 19 tun. Pro rameno valivého odporu ocel-ocel 0,05 mm to dává valivý odpor pouhých 293 N!
Brzdění vozidel
Brzdění je kupodivu dost podobné rozjíždění. Stejně jako vadí prokluz kol při rozjezdu, vadí i při brzdění. Takže opět máme k dispozici klidové tření dané kolem, silnicí a silou, kterou je kolo přitlačováno k silnici. Důležitou výhodou je, že u většiny dopravních prostředků jsou brzděna všechna kola. U nákladního vlaku se na rozjíždění podílí jenom lokomotiva, ale brzdí všechny nápravy, tedy celý vlak. Každá tuna vlaku se podílí 1,5 kN na brzdění.
Čtěte také: Hodnoty součinitele prostupu tepla u cihel
Pro bezpečnou jízdu musí být klidové tření co největší, valivé tření co nejmenší a hlavně klidové tření nesmí přejít do smykového.
Tření v zemním tlaku
Velikost aktivního respektive pasivního zemního tlaku závisí nejen na zvolené teorii výpočtu, ale i na tření mezi zeminou a konstrukcí a přilnavosti zeminy ke stěně stavební konstrukce, popsaném úhlem δ.
V případě, že při výpočtu zemních tlaků uvažujeme vliv tření mezi zeminou a rubem konstrukce, zemní tlak σ i jeho výslednice P svírají s rubem konstrukce úhel δ. Orientaci třecích úhlů δ od kolmice k rubu konstrukce je třeba zavést v souladu se smyslem vzájemného posuvu konstrukce a zeminy. S rostoucí hodnotou δ aktivní zemní tlak klesá.
Velikost úhlu δ se většinou pohybuje v rozsahu \(\delta \le 1/3\varphi\) až \(\delta = 2/3\varphi\). S hodnotou \(\delta \le 1/3\varphi\) se dá počítat v případě hladké úpravy rubu pažící konstrukce (folie a nátěry proti podzemní vodě), pro hrubý neupravený rub není vhodné překročit hodnotu \(\delta = 2/3\varphi\).
Při určování velikosti úhlu δ je třeba respektovat i další okolnosti, zejména součtovou výminku rovnováhy ve svislém směru. Je třeba zvážit, zda je konstrukce schopna přenášet svislé přitížení od tření zeminy na jejím rubu bez větší svislé deformace. V opačném případě je nutné δ zmenšit, neboť může dojít pouze k částečné mobilizaci tření na rubu stěny. V případě nejistoty je bezpečnější uvažovat nižší hodnotu δ.
Čtěte také: Vlastnosti betonu: Tepelná vodivost
Obecné principy tření
Tření vzniká při pohybu nebo snaze o pohyb dvou těles ve vzájemném dotyku. V klidu se mikroskopické nerovnosti obou povrchů do sebe „zaklesnou" a na atomární úrovni vznikají krátkodobé vazby. Podle Amontonových zákonů třecí síla závisí jen na materiálech a kolmé tlakové síle, ne na velikosti styčných ploch. Toto pravidlo platí s velmi dobrou přesností pro běžné podmínky a běžně se používá ve školské fyzice.
Součinitel smykového tření \(f\) je bezrozměrné číslo závisející na materiálu obou ploch a stavu povrchu. Vztahuje se k okamžiku, kdy se těleso má teprve dát do pohybu (statické tření) nebo pro již pohybující se těleso (dynamické tření).
Speciálním vybroušením povrchů a volbou materiálů lze třecí součinitel snížit pod 0,001 (tzv. superlubrikace).
Orientační hodnoty součinitelů tření
Níže uvedená tabulka uvádí orientační součinitele smykového tření pro různé dvojice materiálů. Některé údaje jsou zprůměrované, jiné jen odhadnuté. Jsou určené k využití pouze pro informační účely.
| Materiály | Statický | Dynamický |
|---|---|---|
| Dřevo na dřevě (průměrně) | 0,65 | 0,30 |
| Dřevo na ledu (sněhu) | 0,05 | 0,035 |
| Dřevo - Beton | 0,62 | 0,45 |
| Kůže - dřevo | 0,4 | 0,27 |
| Kůže - litina | 0,56 | 0,28 |
| Kůže na kovu | 0,60 | 0,25 |
| Ocel na bronzu | 0,18 | 0,16 |
| Ocel na dřevě | 0,55 | 0,35 |
| Ocel na ledu (sněhu) | 0,035 | 0,027 |
| Ocel - Litina | 0,4 | 0,25 |
| Ocel na oceli | 0,15 | 0,10 |
| Litina - Litina | 0,25 | 0,2 |
| Sklo - Sklo | 0,9 | 0,4 |
| Sklo - Ocel | 0,6 | 0,5 |
| Pryž (pneumatika) na náledí | 0,15 | 0,1 |
| Pryž na suchém betonu | 0,75 | 0,65 |
| Pryž na mokrém betonu | 0,6 | 0,5 |
| Pryž na dlažbě (malé kostky) | 0,65 | 0,6 |
| Pryž na dlažbě (velké kostky) | 0,6 | 0,55 |
| Pryž na mokrém asfaltu | 0,3 | 0,25 |
| Pryž na suchém asfaltu | 0,55 | 0,5 |
tags: #soucinitel #treni #asfalt #pas #informace