Tribologie je nauka o tření
Tribologie je nauka o tření. Pokouší se na úrovni molekulární struktury rozluštit a využít principy stýkání dvou materiálů, aby vědecky vysvětlila skutečnosti, které všichni kolem sebe denně pozorujeme.
Principy tribologie nalézají využití například při konstrukci válečkových ložisek.
Sjet na lyžích zasněžený svah, zvládnout zatáčku na asfaltu, neupadnout pod sprchou, to vše vyžaduje nebezpečné balancování způsobené jedním a týmž jevem - skluzem. Technický hlavolam. Jestliže se dvě tělesa vzájemně dotýkají - podklad a lyže, kolo nebo noha - skutečnost, že po sobě kloužou, nebo k sobě naopak přilnou, závisí na tření, které vzniká v místě jejich dotyku.
Když člověk, který potřeboval přemístit kamenné bloky, učinil tento objev, představil si, že by se drsnost plochy dotyku mohla zmenšit, a vynalezl saně. Později bylo optimálním řešením kolo. U kola už nešlo o to zlepšit skluz, ale naopak prokluzování potlačit a zvětšit přilnavost, aby se kolo nesmýkalo. Kov i dřevo byly evidentně příliš hladké. A tak se časem zrodila pneumatika z gumy, která má několik výhod - dobrou odolnost vůči opotřebování, malý valivý odpor a díky své pružnosti i dokonalou přilnavost k nepravidelnostem podkladu, ovšem za předpokladu, že je dostatečně hladká, ne však zase příliš. A právě v tom spočívá umění specialistů na vulkanizaci.
Dokonale hladká pneumatika je teoreticky zárukou nejlepší přilnavosti k rovné a suché vozovce, protože téměř celý její povrch je s vozovkou v dotyku. Pro vozy formule 1 je to ideální, ale jedině pro ně. U vozidel určených k jízdě po tak nerovném povrchu, jako mají běžné silnice, jsou podmínky odlišné. Za špatného počasí se ještě zhoršují - na vodě nebo na náledí hladká pneumatika bruslí. Při jízdě po ledě jsou jedinou možností pneumatiky s hřeby, které fungují jako skoby. Dešťová voda však může být ze styčné plochy odváděna drážkami vzorku na běhounu pneumatiky. Drážky odvádějí až 30 litrů vody za vteřinu. Pokud je vody více, stane se z pneumatiky surf - nastane aquaplaning.
Pro údržbu silnic je důležité, aby pneumatiky odpovídaly povrchu vozovky. Ukázalo se to při náročné bajonetové zkoušce nového typu osobního automobilu. Spočívala v tom, že zkušební vozidlo kličkovalo mezi značkami vzdálenými 13,5 metru (namísto třiceti metrů, jak je při těchto zkouškách obvyklé) stále vyšší rychlostí, aby se simulovalo prudké vyhýbání vozidel. Při rychlosti 60 km/hod se vůz naklonil a poté nadzvedl. Jakmile se automobil působením odstředivé síly naklonil, pneumatiky, které byly na bocích příliš tvrdé, se podle tvrzení odborníků z kol "vyzuly", místo aby se deformovaly a pohltily tlak. Ráfky kol se zarývaly do asfaltu a pohyb vozu brzdily. Na betonové vozovce, která je tvrdší, ráfky klouzaly jako brusle. S dobrými pružnými pneumatikami však vozidlo k vozovce přilne.
U každého dopravního prostředku tkví hlavní problém v tom, aby to ve správném okamžiku klouzalo, a v jiném naopak neklouzalo. To platí u přeborníků ve sjezdu na lyžích i u vysokorychlostních vlaků TGV, jejichž horní rychlostní mez udává tření kol o kolejnice. Jediný způsob, jak tření odstranit a dosáhnout dokonalého klouzání, je vznášení, při kterém nedochází k vůbec žádnému dotyku. Znovu se jím zabývali Japonci, když přišli s maglevem - vlakem, který se působením magnetického vztlaku vznáší těsně nad svou jízdní dráhou.
V jiných oblastech je však tato metoda těžko aplikovatelná. Může se to zdát zvláštní, ale tření je opravdový hospodářský problém. Podle odhadů dosahují náklady s ním spojené v průmyslově vyspělých zemích dvou procent hrubého národního produktu. Proč? Prostě proto, že jakmile se dvě strojní součástky o sebe třou, opotřebovávají se a dochází k plýtvání energií.
U osobního automobilu se více než čtvrtina jeho výkonu spotřebovává třením mechanických součástí motoru. Z fyzikálního hlediska se tyto hospodářské ztráty vysvětlují drobnými nerovnostmi povrchů, které se na první pohled zdají hladké. Když jedno těleso působí svou hmotností na druhé, výčnělky, viditelné pouze pod mikroskopem, se zploští a slijí dohromady, čímž kladou odpor a vytvářejí mikroskopické svary. Později se některé z nich rozlomí a dochází k obrušování materiálu.
Tření má samo o sobě takovou důležitost, že si zaslouží, aby se jím zaobírala samostatná věda - tribologie (z řeckého tribein - třít). Je to nauka, která má odpovědět na jedinou otázku: proč to neklouže více? A samozřejmě jde přitom také o zájem průmyslu vyrábět lepší mazadla a mechanické součástky odolnější vůči oděru.
Prvním objevem tohoto vědního oboru je zjištění, že síla tření, kterým se zmenšuje klouzání, není závislá na míře drsnosti povrchu. Velmi drsné těleso totiž může mít menší tření než jiné těleso, které je téměř hladké, jak zjistili výrobci kuličkových ložisek. Důležitá je skutečná styčná plocha dvou předmětů, tedy součet povrchů všech drobných nerovností. Tyto povrchy jsou tím větší, čím větší tlak je na tělesa vyvíjen. Čím více jsou tělesa tlačena k sobě, tím větší je počet styčných bodů. Tento problém by měly vyřešit povrchy naprosto hladké.
Vědci tedy zkoušeli materiál, který je znám jako v tomto směru nejvhodnější - destičky slídy o velikosti jednoho čtverečního centimetru, na nichž je více než milion miliard atomů. U jiných, leštěných povrchů představuje čtyři sta atomů dobrý průměr. Slída se neobrušuje, a přesto je zde háček. Při pokusech se zjistilo, že dochází k velkému tření, a v důsledku toho k energetické ztrátě. Vysvětlení nerovnostmi povrchu na mikroskopické úrovni v tomto případě již nestačilo. Bylo nutné pátrat na úrovni atomů, v oblasti nanotribologie.
Příčina se našla nikoli ve tvarech, ale ve zvucích. Síť vazeb mezi atomy jednoho předmětu a síť mezi atomy druhého předmětu, které po sobě kloužou, vyvolávají zvukové vibrace. Tyto vibrace spolu rezonují, čímž spotřebovávají část vynaložené energie, která se potom mění v teplo. To vysvětluje, proč je velikost tření závislá na druhu použitých materiálů. Tribologové se pokoušejí vyvinout dokonale klouzavé materiály s velmi nízkým rezonančním kmitočtem. Hospodářské zájmy dávají tribologii velkou budoucnost.
Avšak ani naprosto dokonalý skluz není úplným řešením. Konstatování, že něco "klouže", má dvojí význam, což prozrazuje složitost tohoto jevu. Může to znamenat, že nějaké těleso se bez nesnází odvaluje po jiném tělese nebo že určité těleso zůstává k působení jiného tělesa netečné. Skluz však nemusí být vždy vítaný, zejména v hospodářství.
Opotřebovávání materiálů, jímž je tření nutně doprovázeno, totiž drží pohromadě konstrukci spotřební společnosti. Bez něj by byla životnost výrobků mnohem delší, což by pro průmysl znamenalo podle názoru ekonomů katastrofu.
Tření je nezbytnou součástí života. Například pocit dotyku je vlastně pocitem tření, nebo přesněji pocitem vnímání skluzu, protože čidla tlaku v konečcích prstů nám umožňují vyvinout na nějaký předmět právě takovou sílu, aby nám nevypadl z ruky.
Tření je nezbytné proto, abychom se mohli přemisťovat i jinak než kolouzáním. Jedině velké tření mezi podrážkou a podlahou umožňuje chodit bez klouzání jako na ledě nebo v louži oleje, což jsou materiály s nízkou třecí schopností.
Na závěr si představme, že by přestaly působit veškeré fyzikální třecí síly. Pohyby kontinentů a klouzání desek zemské kůry po sobě by byly zcela hladké a nedocházelo by k seizmickým otřesům. Vítr a voda by na planetě nezpůsobovaly žádnou erozi. V takovém hladce klouzavém světě by musely mít podrážky a pneumatiky nastřelené hřeby. Hřebíky, šrouby a matice by nedržely v materiálu a veškeré stavby by se zhroutily. Vše by se muselo nýtovat, svařovat nebo sešívat svorkami. Zdá se vám to přitažené za vlasy? A přitom by stačilo tak málo - absence tření.
Další články:
Leváci jsou mnohé známé osobnosti.
Mangold je zelenina, která může chutnat, zdobit i prospívat tělu.
Strahovská knihovna obsahuje více než 200 000 svazků.
Ostrov Mauricius leží uprostřed Indického oceánu.
Národní park Torres del Paine zanechá na návštěvníky dojem.
Punta Arenas leží na břehu Magalhesova průlivu.
Národní park Doňana je domov mnoha druhů evropských ptáků.
Jak vzniká med ve včelím úlu.
Velká sfinga stojí v Gíze poblíž velkých pyramid.
Jaký materiál se používá na ložní prádlo? Je jich několik.
Tribologie je nauka o procesech tření, mazání a opotřebení při vzájemném pohybu dvou nebo více materiálů, popřípadě při interakci materiálu a okolního prostředí.