Tarcie płynne i łożyska ślizgowe

Dwa wpisy poświęcone tarciu suchemu. Tarciu, które towarzyszy nam na co dzień w trakcie chodzenia, jazdy samochodem czy na rowerze. Jednak czy to tarcie suche jest dominujące w nauce? Oczywiście, że nie! To bowiem tarcie płynne sprawia, że koła się obracają, łożyska działają, a nasze stawy są w stanie się ruszać bez ścierania kości. Oprócz tego sprawia ono dużo radości i dzięki niemu potrafimy konstruować moje ulubione fontanny. O tym jednak za chwile…

Tarcie płynne i łożyska ślizgowe

O tarciu płynnym mówimy wtedy, gdy między dwoma poruszającymi się elementami występuje warstwa płynu, czyli cieczy lub gazu. Jak łatwo możecie się domyślić siły tarcia występujące w takim przypadku są znacznie mniejsze niż dla tarcia suchego bowiem zależą tylko od lepkości płynu znajdującego się między dwoma ciałami. Oczywiście zakładając, że wrasta pomiędzy dwoma powierzchniami jest odpowiednio gruba, a to już zależy od wielu innych czynników. Jeżeli tak nie jest mówimy o tarciu półpłynnym albo granicznym. Załóżmy jednak, jest wystarczająco gruba. Co wtedy?

 

Rysunek 1. Idea tarcia płynnego i granicznego

W takim przypadku straty tarcia pomiędzy poruszającymi się elementami są skutkiem jedynie tarcia wewnętrznego w płynie, a więc zależą głównie od jego lepkości i prędkości przemieszczania się ciał. Mimo, że brzmi skomplikowanie to najważniejsze, że siły tarci płynnego są naprawdę małe. Nie oznacza to jednak, że tarcie takie można zastosować zawsze. Gdzie więc stosujemy tarcie płynne? W łożyskach ślizgowych…

O łożyskach ślizgowych pisze się książki (naprawdę bardzo dużo książek) jednak w uproszczeniu są to wszystkie łożyska, gdzie pomiędzy dwoma elementami nie występują żadne elementy pośrednie np. kulki, wałki albo igiełki. Elementy łożyska ślizgają się więc między a tarcie między nimi jest zmniejszany z wykorzystaniem różnego rodzaju smarów (głównie na bazie mydeł np. towot), cieczy i gazów. Wymieńmy sobie więc kilka przykładów łożysk ślizgowych wykorzystujących tarcie płynne.  

• Łożyska powietrzne to łożyska, które działają dzięki temu, że między dwie powierzchnie wtłacza    się powietrze albo olej/wodę pod wysokim ciśnieniem. Wtłaczany pomiędzy dwa materiały płyn rozpycha je tworząc między nimi poduszkę powietrzną lub film (cieką warstwę cieczy). Mimo, że łożyska takie stosowane są w przemyślę to ich najciekawsze zastosowanie dotyczy fontann będących ogromnymi kulami warzącymi nawet parędziesiąt ton, które z łatwością można obrócić. Takie fontanny można zobaczyć w Polanicy Zdroju, Karwi i wielu miejscach na świecie. 

Zdjęcie 2. Fontanna w Karwi wykorzystujące łożysko hydrostatyczne
[Źródło: YouTube]

• Łożyska magnetyczne to łożyska, które zasłynęły głównie dzięki ‘lewitującej’ kolei magnetycznej unoszącej się nad torami właśnie dzięki magnetyzmowi. Dlaczego więc pisze, że wykorzystują tarcie płynne. Ponieważ odległość między szynami a bieżnią pociągu jest niewielka i występuje między nimi warstewka powietrza, która przenosi tarcie. Jest ono niewielki i niech świadczy o tym fakt, że kolej magnetyczna, która ma połączyć Pekin z Szanghajem ma rozpędzać się nawet do 600km/h.   

 

Zdjęcie 3. Schemat działania łożyska magnetycznego w kolei

• Łożyska ślizgowe olejowe to najpowszechniej stosowane łożyska. Wykorzystują one warstwę oleju (film olejowy) pomiędzy obracającymi się elementami (panwią i wałem). Olej może być dostarczany samoczynnie (łożyska hydrodynamiczne) lub pod wysokim ciśnieniem (hydrostatyczne, opisałem je już).

 
Jakie są korzyści stosowania tych łożysk? Przenoszą duże obciążenia, drgania, są bardzo ciche, pozwalają na ruch wzdłużny i mogą być stosowane przy bardzo dużych prędkościach choć przy małych nie sprawdzają się już tak dobrze.

Rysunek 4. Przemieszczanie się filmu olejowego w łożysku ślizgowym olejowym
[Źródło: Machinery Lubrication]

Tarcie płynne pozwala więc na znaczne zmniejszenie sił tarcia choć jest stosunkowo wymagające, gdyż wymusza zapewnienie warunków, w których pomiędzy parą cierną zawsze znajdować się będzie wystarczająco gruba warstwa płynu. Jednak oddziaływanie pomiędzy ciałem stałym a płynem ma zupełnie inny charakter i dynamikę niż oddziaływanie między dwoma ciałami stałymi co przenosi naukę i technikę na zupełnie inny poziom.

Mimo, że ostatnie wpisy nie dały jedynie przedsmak tego czy zajmuje się tribologia to mam nadzieje, że pomogą wam zrozumieć czym jest tarcie i jak skomplikowanym jest zagadnieniem, a czytanie tego co napisałem sprawiło Wam tyle przyjemności co mi pisanie tego.

Wpis o tarciu suchym (kinetycznym i statycznym) znajdziesz tu.

Wpis o tarciu tocznym znajdziesz tu.

 

Źródła i ciekawe linki:

1.  Wykład z Politechniki Wrocławskiej
2. Tarcie płynne - tribologia.eu
3. Tarcie mieszane - tribologia.eu