rozważanie o podstawach tribologii. cz. 10. obiekty
Transkrypt
rozważanie o podstawach tribologii. cz. 10. obiekty
1-2011 TRIBOLOGIA 13 Wiesław LESZEK* ROZWAŻANIE O PODSTAWACH TRIBOLOGII. CZ. 10. OBIEKTY IDEALNE W TRIBOLOGII CONSIDERATION OF TRIBOLOGY BASIS. PART 10. THE IDEAL OBJECTS IN TRIBOLOGY Słowa kluczowe: metoda idealizacji, modele interpretacyjne tarcia suchego Key words: method of idealization, interpretational models in tribology Streszczenie W artykule przedstawiono zasady metody idealizacji i jej funkcje w modelowaniu zjawisk fizycznych. Realizację metody idealizacji w tribologii pokazano na przykładzie modeli interpretacyjnych tarcia suchego (od modelu Amontonsa do modelu Kragielskiego). Zwrócono uwagę na możliwość zastosowania tej metody w eksperymencie tribologicznym. * Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznań. 14 TRIBOLOGIA 1-2011 WPROWADZENIE Wśród metod badawczych niesłusznie zaniedbanych w tribologii jest metoda idealizacji. Lokalizacja, jak to ujęto w „Słowniku pojęć filozoficznych” [L. 1] jest to „metoda badawcza stosowana w zaawansowanych naukach przyrodniczych i społecznych. Polega na tworzeniu modeli idealnych zjawisk i systemów występujących w przyrodzie i społeczeństwie. W tym celu trzeba wyróżnić główne i uboczne własności realnych systemów i pominąć te ostatnie. W naukach zmatematyzowanych, w których własności odpowiadają wielkości, idealizacje sprowadza się do założenia, że wielkości uboczne przybierają wartość zerową i tylko główne mają wartość niezerową”. Przykłady obiektów idealnych to: w matematyce – punkt, linia prosta, w fizyce – ciało doskonale sztywne, idealny gaz. Analiza modeli idealnych pozwala na wykrycie praw rozpatrywanych zjawisk chwytających ich istotę. Są to jednak prawa idealizacyjne, które nie są spełnione w realnych systemach. J. Życiński [L. 2] uzasadnił celowość metody idealizacji następująco: „Można sobie wyobrazić świat, w którym nie dałoby się stosować idealizacji. Do opisu jakiegokolwiek zjawiska konieczne byłoby wtedy uwzględnienie wszystkich zależności między wszystkimi współoddziałującymi elementami. Jeśli nawet założyć liniowy charakter tych oddziaływań, co jest bardzo mocnym założeniem, dla układu złożonego z n elementów trzeba by było uwzględnić 2n oddziaływań. Gdy n = 105, co stanowi układ niewspółmiernie mały w porównaniu z potrzebami fizyki makrokosmosu (dla przykładu liczba Avogadra wynosi 6,02 *1023) czy biologii organizmu, trzeba byłoby uwzględnić 1030103 oddziaływań. Prowadziłoby to do układu 1030103 równań różniczkowych i w praktyce czyniłoby całkowicie niemożliwym uprawianie nauki. Liczba obliczeń wymaganych do rozwiązania również rośnie w zasadzie wprost proporcjonalnie do kwadratu liczby równań. Jeżeli więc liczba równań wzrosła pięciokrotnie, to czas poświęcony na ich rozwiązania musi wzrosnąć przynajmniej 25-krotnie”. W dotychczasowej literaturze tribologicznej pojęcia wywodzące się z metody idealizacyjnej nie występują, chociaż spotkać można wiele publikacji traktujących o modelowaniu w tribologii. Biorąc pod uwagę użyteczność tej metody potwierdzoną w wielu dyscyplinach naukowych, postanowiono zaproponować podstawowe pojęcie tribologiczne w interpretacji metody idealizacji. 1-2011 TRIBOLOGIA 15 Opracowanie 10 z cyklu „Rozważanie o podstawach tribologii” jest pierwszym poświęconym tematyce idealizacji. Można się spodziewać, że podejście to będzie rozwijane. METODA IDEALIZACJI W praktyce badawczej może zaistnieć konieczność zbudowania koncepcji obiektu spełniającego jakieś założenie niemożliwe do zrealizowania w rzeczywistości fizycznej. Tworzony jest abstrakt, który nie ma już bezpośredniego związku z obiektami empirycznymi, ale dzięki swoim właściwościom służy do wyjaśniania ich cech, właściwości i relacji między nimi zachodzących. Takie obiekty noszą nazwę obiektów idealnych. Próby fizycznej realizacji idealnych obiektów prowadzą do ich przybliżenia możliwego do zaakceptowania jako formy istnienia abstraktów pochodzenia empirycznego. Idealizacja, poprzez oderwanie od konkretnych wyobrażeń o obiekcie, jego niektórych cech i właściwości oraz zależności między obiektami dochodzi się do wiedzy ogólnej już nie o konkretnym obiekcie, a o pojęciu, którego jednym z desygnatów jest (w jakimś przybliżeniu) ten obiekt. Procedura ta nazywana jest konkretyzacją [L. 3]. Według L. Nowaka [L. 4] relacje między abstrahowaniem a konkretyzacją jest następująca: • Na podstawie nagromadzonej wiedzy empirycznej ustala się zespół czynników wpływających na obiekt (czynnik, zjawisko) badany oraz przeprowadza się hierarchizację tego zbioru. Niektóre z czynników wyróżnia się jako najistotniejsze (główne), inne, słabiej działające na obiekt badany uznaje się za uboczne. • Wprowadza się założenia upraszczające, które eliminują czynniki uznane za uboczne (przyrównuje je do zera). Przy tych założeniach upraszczających proponuje się hipotetycznie określoną postać zależności pomiędzy wielkością określoną a czynnikiem przyjętym dla niej za główny. Uzyskuje się w ten sposób jakąś postać prawa idealizacyjnego, które wobec wyników badań empirycznych jest abstraktem. • Mając ustalone prawa idealizacyjne, znosi się stopniowo wprowadzone uprzednio założenia upraszczające i modyfikuje się prawa uwzględniające wpływ kolejnych czynników wcześniej wyeliminowanych. Uzyskuje się w ten sposób kolejne konkretyzacje, z których każda prowadzi do twierdzenia pozbawionego jakichkolwiek założeń upraszczających. 16 TRIBOLOGIA 1-2011 Dalej L. Nowak [L. 4] stwierdza, iż pełna konkretyzacja prawa idealizacyjnego jest zwykle niemożliwa i po pewnej liczbie kroków konkretyzacyjnych stosuje się aproksymację, czyli zakłada się, że stan faktyczny w przybliżeniu odpowiada zależności przedstawionej w drugim twierdzeniu. OBIEKTY IDEALNE W TRIBOLOGII Podstawowym pojęciem, z którego można wyprowadzić zasadnicze pojęcie tribologii, jest pojęcie ruchu mechanicznego. Ruch ten pojmowany jest jako przemieszczanie się w przestrzeni obiektu, którym jest punkt materialny lub zbiór punktów materialnych. Punktem materialnym nazwano obiekt, którego rozmiary są pomijalnie małe. Założenie to jest najwcześniejszą idealizacją pojęcia ruchu. Zbiorem punktów materialnych nazwano zbiór elementów (punktów materialnych), których wzajemne położenie jest niezmienne. Jest to idealizacja ciała fizycznego nazywana ciałem nieodkształcalnym. Ruchowi takiego ciała można przypisać trzy następujące składowe: przestrzeń, przemieszczenie i czynniki zewnętrzne oddziałujące na przemieszczające się ciało. Każde zjawisko fizyczne, w tym oczywiście i ruch zachodzi w przestrzeni i czasie. Dla wyznaczenia położenia ciała w przestrzeni w stosunku do wybranego punktu lub innego ciała potrzebne są trzy wymiary. Tę właściwość przestrzeni nazwano trójwymiarowością. Rozpatrując charakter ruchu ciała, można przyjąć, że właściwości przestrzeni są jednakowe we wszystkich jej punktach i we wszystkich jej wymiarach. Przestrzeń jest więc jednorodna i izotopowa. Wszystkie chwile czasu są równoważne w stosunku do siebie, z czego wynika jednorodność czasu. Następstwem tych własności przestrzeni i czasu dla układów fizycznych są tzw. zasady zachowania. Konsekwencją jednorodności czasu jest zachowanie energii układu, jednorodności i izotopowości zachowania odpowiednio pędu i momentu pędu. Przestrzeń zaś odpowiada założeniom geometrii Euklidesa. Położenie ciała w takiej przestrzeni określić można przez podanie wartości trzech współrzędnych w odniesieniu do wybranego punktu w układzie współrzędnych Kartezjusza. W opisie samego ruchu nie rozpatruje się kwestii, co spowodowało przemieszczanie się punktu materialnego (lub zmiany punktów), tzn. jakie były jego przyczyny. Zagadnienie opisu ruchu sprowadza się do 1-2011 TRIBOLOGIA 17 określenia położenia punktu materialnego w dowolnej chwili czasu, co polega na wskazaniu tego punktu w trójwymiarowej przestrzeni, w jakim poruszający się punkt znajduje się w danej chwili. Inaczej mówiąc na wskazaniu tego punktu przestrzeni, który odpowiada rozpatrywanemu punktowi materialnemu. Podczas przemieszczania się punkt materialny znajduje się kolejno w coraz to innym punkcie przestrzeni. Jeśli przestrzeń ta wyposażona zostanie w układ współrzędnych, to kolejność punktów znajdowanych przez punkt materialny można nazwać torem ruchu, trajektorią lub orbitą. Dla wyznaczenia tych wielkości stosuje się metody matematyczne, których zasady opierają się na różnych sposobach wyznaczania położenia punktu materialnego wobec przyjętego układu współrzędnych (kartezjańskiego, biegunowego itp.). Wielkościami stosowanymi do opisu ruchu są: wektor przemieszczenia, prędkość przemieszczenia oraz przyspieszenie. Tor ruchu punktu materialnego może mieć różną postać geometryczną (prostoliniową, krzywoliniową, kątową itp.). Kształt toru przemieszczania cząstki symbolizowanej przez punkt materialny nie wpływa na prędkość ruchu i jego ewentualne przyspieszenie. Jak napisał B.W. Dieriagin [L. 5]: „Według podanego przez Newtona prawa bezwładności każde ciało pozostaje w spoczynku lub posuwa się ruchem prostoliniowym, dopóki jakaś siła nie wyprowadzi go z tego stanu, tzn. nie zmieni wielkości lub kierunku jego prędkości. Jeżeli zatem pchniemy jakiekolwiek ciało i w ten sposób wprowadzimy je w ruch, to gdy nie będzie na nie działać żadna siła zewnętrzna, ruch ten powinien trwać wiecznie z prędkością stałą tak co do wartości, jak i kierunku. [...] Przyczyną zwalniania ruchu ciała jest oddziaływanie z otaczającymi ciałami, niestanowiące własności charakteryzującej ciało lub naturę ruchu. Stąd tylko jeden krok do wniosku, że ciało izolowane od ciał otaczających umieszczone w przestrzeni pozbawionej powietrza poruszałoby się z prędkością stałą przez czas nieograniczony. Wniosek ten leży u podstaw odkrycia zasady bezwładności. Zgodnie z tą zasadą każda przyczyna zmieniająca prędkość ruchu, tj. zarówno zwiększająca ją, jak i zmniejszająca może być nazwana siłą. [...] Siłę tę nazywamy siłą tarcia, tarciem lub oporem ośrodka. Wyrażając siłę ściślej, siła tarcia, czyli opory ruchu zawsze zmniejszają prędkość ruchu ciała względem otaczających ciał lub otaczającego je ośrodka”. 18 TRIBOLOGIA 1-2011 Tarcie przeciwdziałające względnemu przemieszczaniu się dwóch stykających się ze sobą ciał nazywamy tarciem zewnętrznym, ponieważ zależy ono od wzajemnego oddziaływania zewnętrznych powierzchni tych ciał w pobliżu miejsc ich styku. Tarcie nazywamy wewnętrznym jeżeli towarzyszy ono i przeciwdziała względnemu przemieszczaniu się części tego samego ciała. Ten sam autor stwierdził, że „gdy względna prędkość trących się ciał zmniejsza się i dąży do zera, to siła tarcia zewnętrznego bynajmniej nie dąży do zera, lecz zbliża się do pewnej wartości skończonej” [L. 5]. Zdaniem B.W. Dieriagina [L. 5] można znaleźć graniczną wartość występującą przy znikomo małej prędkości ciał. W tym celu należy zmierzyć najmniejszą siłę potrzebną do zmiany stanu względnego spoczynku ciał, a zatem do wywołania ich ruchu względem siebie. Siła ta jest niezbędna do pokonania równej jej, lecz przeciwnie skierowanej siły, która nie dopuszcza do zaburzenia stanu spoczynku, tj. przeciwdziała powstawaniu ruchu względnego. Siła ta przeciwdziała względnemu przemieszczaniu się dwóch ciał jeszcze wówczas, gdy ruch ten już się odbywa. Nazwano ją wobec tego tarciem statycznym lub spoczynkowym albo siłą tarcia statycznego lub spoczynkowego. Odpowiednio do jej określenia równoważy ona siłę zewnętrzną aż do chwili rozpoczęcia się ciągłego względnego przemieszczania obu ciał pod wpływem tej właśnie siły zewnętrznej. Z tego wynika, że siła tarcia spoczynkowego może przyjmować dowolne wartości, począwszy od zera aż do pewnej wartości maksymalnej, a jednocześnie jej kierunek może być rozmaity. Tylko graniczna wartość siły tarcia jest określona. Wartość ta równa się najmniejszej lub granicznej wartości siły zewnętrznej niezbędnej dla wprowadzenia ciała w ruch. Mówiąc o tarciu spoczynkowym lub statycznym, myśli się zwykle o tej właśnie wartości granicznej. Zgodnie z genetycznym opisem siły tarcia spoczynkowego trudno jest zgodzić się z poglądem B.W. Dieriagina, że jest ona wielkością skalarną w związku z jej bezkierunkowością. Nie jest ona bezkierunkowa, ponieważ jako przeciwstawienie sile powodującej przemieszczenie jest ona ukierunkowana przeciwnie do tej siły. Z tego względu nie można jej wyrażać za wielkość skalarną. Podsumowując tę część opracowania wróćmy teraz do punktu wyjścia, czyli zagadnienia ruchu. Idealny ruch odbywa się bez tarcia, a więc nie występuje w nim dysypacja energii kinetycznej, tzn. nie zmniejsza się wartość Ek = 1/2 mv2.. Energia ta nie jest przekazywana innym ciałom, 1-2011 TRIBOLOGIA 19 z jakimi ciało poruszające się mogłoby być w styku (chwilowym – udar, lub stałym). Aby taki ruch mógł być realizowany, musi odbywać się w próżni (brak oddziaływań zewnętrznych) oraz przestrzeni bez grawitacyjnej. Określając tarcie jako opór wywołany przemieszczeniem (względnym ruchem) ciał będących w kontakcie, można powiedzieć, że warunkiem dostatecznym istnienia w jakimś układzie tarcia jest wzajemne przemieszczanie się tych ciał oraz że warunkiem koniecznym istnienia w tym układzie tarcia jest ich styk, tzn. możliwość bezpośredniego oddziaływania na siebie. Założenie to wynika z przyjętej definicji tarcia, przy czym warunek konieczny obejmuje również tarcie spoczynkowe. Z tego właśnie powodu nie można podać jednego warunku, który byłby jednocześnie warunkiem dostatecznym i koniecznym istnienia w jakimś układzie tarcia. Konsekwencjami tak zapisanych warunków istnienia tarcia są m.in. wniosek o nieistnieniu tarcia w układzie ciało fizyczne–próżnia oraz wniosek o możliwości ograniczenia tarcia przez ograniczenie styku, tzn. bezpośredniego oddziaływania na siebie ciał [L. 6]. EWOLUCJA INTERPRETACYJNYCH MODELI TARCIA Za podstawę do przedstawienia zmian w modelach interpretacyjnych tarcia przyjmiemy następujące przesłanki: 1) jako materiał faktyczny służący do analizy zmian stanu wiedzy o tarciu przyjmiemy opisywane w piśmiennictwie tribologicznym modele interpretacyjne nazywane do niedawna teoriami tarcia suchego, 2) za źródło zmian w ujęciu tych modeli przyjmiemy działającą w metodologii nauki procedurę konkretyzacji polegającą na odchodzeniu od idealizacji ujęć interpretacyjnych i coraz szerszym uwzględnianiu w nich faktów empirycznych zaobserwowanych na eksperymentach i poddanych analizie uwzględniającej aktualny na odpowiednim etapie rozwoju nauki stan wiedzy. Najważniejszy model tarcia został zbudowany przez Leonardo da Vinci (1508). W modelu tym uwzględniono tylko chropowatość powierzchni oraz ciężar ciała przemieszczającego się po powierzchni. Stwierdzono więc, że zdolność ciał do ślizgania się jest różna i dlatego tarcie ma różną wartość. Ciało o bardziej gładkiej powierzchni ma mniejszą wartość tarcia niż ciało chropowate. Dowolne ciało wykazuje przy tarciu opór równy 20 TRIBOLOGIA 1-2011 około jednej czwartej swojego ciężaru, pod warunkiem że styka się wyrównana płaszczyzna z płaszczyzną polerowaną [L. 7]. Autorem modelu tarcia opartego na ówcześnie aktualnym stanie wiedzy był Amontons (1699). W jego ujęciu „tarcie jest rezultatem wspinania się jednego ciała po nierównościach drugiego przy ich przesuwaniu się względem siebie pod działaniem nacisku normalnego”. Zgodnie z przyjętą przez niego zasadą idealizującą traktującą przemieszczające się ciała jako doskonale sztywne, a więc nieodkształcalne, po zaakceptowaniu poglądów Leonardo da Vinci o chropowatości powierzchni Amontons musiał wprowadzić pojęcie „wspinania się po nierównościach” trących powierzchni. W konsekwencji w jego formule siły tarcia decydującym czynnikiem stała się siła nacisku normalnego przeciwdziałająca wspinaniu się po nierównościach. Druga wielkość w jego formule – współczynnik tarcia – traktowana jest jako stała charakteryzująca warunki w jakich odbywa się tarcie. Założenie to jest kolejnym czynnikiem idealizującym poglądy o tarciu. Model Amontonsa rozpatrywać można w dwóch aspektach. Pierwszym z nich jest praktyczne zastosowanie tego modelu do obliczania parametrów tarcia w mechanizmach maszyn. Szczególną odporność na modyfikacje, jakie występowały wobec niego, wykazał współczynnik tarcia. Drugim aspektem tego modelu jest sugestia metodyczna zalecająca zastosowanie idealizacji wtedy, kiedy ze względu na brak informacji pozwalającej na rozwiniętą interpretację jakiejś kwestii konieczne jest stosowanie uproszczeń. Ważnym etapem rozwoju modeli interpretacyjnych tarcia była propozycja J.T. Desaquliers`a (1734) włączenia do warunków powstawania siły tarcia innych wyników niż tylko oddziaływania czysto mechaniczne. Oddziaływania te nazwano „molekularnymi”, chociaż ze względu na brak wystarczającej wiedzy o budowie ciał stałych nie potrafiono właściwie ich zdefiniować. Było to oczywiste uproszczenie interpretacyjne, które zamknął dopiero Coulomb (1779) proponując własne rozwiązania interpretacji „oddziaływań molekularnych”. Mimo że zagadnieniem tym zajmowało się wielu badaczy, w piśmiennictwie tribologicznym do modelu Amontonsa dodano nazwisko Coulomba. Model Amontonsa-Coulomba obejmuje aksjomat dotyczący ciała doskonale sztywnego (nieodkształconego) i założenie, że w zjawisku tarcia występują oddziaływania molekularne. Poprawka Coulomba została zaakceptowana i systematycznie rozwijana zgodnie z postępem w nauce. Obecnie jest ona interpretowana na 1-2011 TRIBOLOGIA 21 podstawie współczesnego stanu wiedzy. Przypisywano więc modelowi Amontonsa-Coulomba znacznie większy zakres wiedzy niż w rzeczywistości wnosiła ona w chwili jego zbudowania. Posługując się współczesnymi poglądami można stwierdzić, że model Amontonsa-Coulomba opiera się na zbiorze aksjomatycznym mechaniki klasycznej i jego konsekwencjach oraz na aksjomatach mechaniki kwantowej w czasie oddziaływań molekularnych. Razem z nimi zawiera on idealizacje, wprowadzone do mechaniki klasycznej i mechaniki kwantowej. Zasadniczą konkretyzacją dokonaną w modelu Amontonsa-Coulomba było odrzucenie nieodkształcalności ciał znajdujących się w styku tarciowym. Zgodnie z modelem Ernsta-Merchanta [L. 6] warstwy wierzchniej trących ciał stykają się ze sobą na niewielkiej ilości mikroobszarów dzięki chropowatości tych warstw. Te rzeczywiste powierzchnie styku są nachylone pod pewnym średnim kątem do kierunku działania siły stycznej. Stanowi to o pierwszym składniku siły tarcia. Pod wpływem siły normalnej obszary styku odkształcają się zawsze plastycznie, wskutek czego naprężenie na powierzchni styku nie zależy od obciążenia, lecz jest wyznaczane przez twardość ciała. Jeżeli powierzchnie styku są wolne od warstw (np. tlenkowych), to po dociśnięciu natychmiast występuje dyfuzja i tworzą się roztwory stałe lub fazy międzymetaliczne. Opór ścinania powstałych w wyniku tego połączeń stanowi składnik siły tarcia. Podwójnym odejściem od założenia idealistycznego Amontonsa jest model Bowdena. Według tego modelu, mechanizm tarcia polega przede wszystkim na tworzeniu się, a następnie ścinaniu metalicznych połączeń mikroobszarów obu warstw wierzchnich stykających się ciał. Tworzenie się i ścinanie tych połączeń polega na wgłębianiu, miejscowym zgrzewaniu w wysokiej lub niskiej temperaturze, a następnie wyrywaniu cząstek metalu. Przy różnej twardości trących się warstw wierzchnich nierówności bardziej twardej warstwy wyciskają bruzdy w bardziej miękkiej warstwie „partnera” na znaczną głębokość. Stąd siła tarcia jest sumą dwóch składowych, z których jedna uwzględnia ścinanie, a druga wyciskanie bruzd [L. 6]. G.J. Epifanos (1957) w swoim modelu tarcia uwzględnia przede wszystkim ścinanie narostu tworzącego się przed przesuwającym się ślizgaczem imitującym pojedynczą nierówność warstwy wierzchniej. Zdaniem tego autora, we wszystkich bez wyjątku przypadkach współoddzia- 22 TRIBOLOGIA 1-2011 ływania ciał stałych (molekularne przyciąganie, mechaniczne zaczepianie nierówności, wgłębianie) należy pokonać jedne i te same siły – opór ścięcia materiału. Ścinaniu podlegają nie połączenia metaliczne, ale znacznie większa objętość narostu tworzącego się przed przesuwającym się ślizgaczem. Ślizganie przeto zachodzi nie na powierzchni styku ślizgacza z przeciwległą powierzchnią, lecz wewnątrz odkształconego ciała [L. 6]. G.J. Epifanos zastosował odmienną niż jego poprzednicy idealizację w interpretacji tarcia. Utożsamił on tarcie zewnętrzne i tarcie wewnętrzne zachodzące w styku trących warstw. Model zaproponowany przez tego autora miałby znaczną wartość prognostyczną, gdyby nie założenie, że tarcie wewnętrzne stanowiące składową siły tarcia zachodzi w ciałach innych niż rodzime trące elementy. Ciała te powstają w wyniku przemian, jakie zachodzą w odkształceniu w trących się elementach. W rezultacie tych przemian nie można prognozować siły tarcia na podstawie pomiarów sił ścinania w ciałach, z których zbudowane są pasy ślizgowe. Z przedstawionych spostrzeżeń wynika, że konkretyzacja modeli tarciowych prowadzi do powstawania modeli zawierających składową mechaniczną (jak w modelu Amontonsa) oraz składową molekularną, której przypisuje się oddziaływanie na poziomie struktur atomowych i cząsteczkowych. Szczególną formą idealizacji polegającej na próbach wytłumaczenia tarcia jako skutku wyłącznie oddziaływań molekularnych były modele nazywane „molekularnymi”. Model G.A. Tomlinsona (1929) opiera się na założeniu, że tarcie jest rezultatem molekularnego oddziaływania atomów powierzchni trących się ciał. Atomy przeciwległych powierzchni w wyniku chropowatości warstw wierzchnich znajdują się w różnych odległościach od siebie. Część z nich zajmuje położenie, w którym o oddziaływaniu decydują siły ich wzajemnego przyciągania, część położenie, w którym decydują siły odpychania. Przy względnym ruchu tych warstw wierzchnich zmienia się odległość między leżącymi na nich atomami, a w konsekwencji charakter siły decydującej o ich oddziaływaniach. W oporach występujących przy przemieszczaniu się ciał decydują siły przyciągania między atomami. Oddziaływania między przemieszczającymi się atomami wywołują wychylenia atomów ze stanu równowagi w jednym, a następnie drugim kierunku. Powoduje to powstawanie drgań i wywiązywanie się ciepłą, a ostatecznie rozpraszanie energii. 1-2011 TRIBOLOGIA 23 Model Tomlinsona zawiera idealizację wynikającą z zastosowania w nim klasycznej teorii budowy związków chemicznych. Świadczy o tym spełnienie w tym modelu dwóch zasadniczych postulatów klasycznej chemii. Pierwszym z nich jest założenie, że kolektywne oddziaływanie atomów w cząsteczce chemicznej można w przybliżeniu opisać jako zbiór oddziaływań oddzielnych par atomów. Drugim postulatem jest przyjęcie, że wszystkie oddziaływania par atomów mogą być rozdzielone na dwie grupy: oddziaływania „silne” (wiązania chemiczne) i oddziaływania „słabe” (oddziaływania niezwiązanych ze sobą bezpośrednio atomów). Model nie uwzględnia wpływu, jaki na charakter oddziaływań między atomami różnych ciał wywierają oddziaływania między atomami własnej sieci krystalicznej oraz stanu energetycznych atomów, wynikający ze struktury sieci i stanu jej zdefektowania. Twórca innego modelu interpretacyjnego tarcia B.W. Dieriagin (1933, 1952) przyjął, że tarcie zewnętrzne wynika z konieczności dokonywania podczas względnego ruchu stykających się ciał znacznych przesunięć cząstek trących się powierzchni. Zjawisko to wiązane jest z molekularną chropowatością warstw wierzchnich ciał, a rozpraszanie energii następuje przy okresowym wznoszeniu się cząsteczek jednej powierzchni i następnego opadania ich do zagłębień. Praca wykonana na wznoszenie częściowo zamienia się na ciepło. Różnice w wartościach współczynnika tarcia statycznego wynikają z różnic w budowie atomowej trących ciał. Źródłem molekularnej chropowatości są siły międzyatomowe. Jeżeli siły przyciągania między ciałami są większe niż siły spójności, to ruch względny (poślizg) odbywa się wewnątrz ciała o niższych wartościach sił spójności. Model Dieriagina jest bardzo trudny do zweryfikowania przy współczesnej technice eksperymentalnej. Jego założenia nie są jednak sprzeczne z panującymi w fizyce ciała stałego poglądami o strukturze i właściwościach przypowierzchniowych warstw atomów w ciałach stałych. Idealizacja ukryta w tym modelu polega na przypisywaniu chropowatości molekularnej wszystkich zasadniczych artykułów tarcia (oporów ruchu, rozproszenia energii itp.). Podstawowe znaczenie dla współczesnego stanu wiedzy o tarciu posiada model sformułowany przez J.W. Kragielskiego (1949, 1957, 1965). Model ten jest konkretyzacją modelu Amontonsa-Coulomba. Zgodnie z tym modelem na rzeczywistych powierzchniach styku trących się ciał występują opory wywołane oddziaływaniem molekularnym oraz mecha- 24 TRIBOLOGIA 1-2011 niczne opory ruchu wywołane zahaczaniem się mikronierówności powierzchni ich wzajemnym wgłębianiem się. W modelu Kragielskiego składowa mechaniczna oparta została na współczesnych poglądach o odkształcalności ciał stałych. Wyróżniono w nim różne rodzaje styków ciał (sprężysty, plastyczny), uwzględniono topografię powierzchni i własności wytrzymałościowe. Ujęte w modelu odpowiednie wzory obliczeniowe umożliwiają szacowanie wpływu tej składowej na parametry tarcia. Prognozowanie wpływu składowej molekularnej jest znacznie bardziej utrudnione, ponieważ jej ujęcie ma w dalszym ciągu charakter opisowy. Z tego względu stosunkowo poprawnie można przewidywać te zjawiska tarciowe, których źródłem są przede wszystkim oddziaływania mechaniczne. Natomiast prognozowanie zjawisk podporządkowanych oddziaływaniom molekularnym pozostawia jeszcze nadal znaczną niepewność. Modele oparte na innych założeniach idealizacyjnych opisał Zb. Lawrowski [L. 8]. W.D. Kuzniecow podjął zagadnienie przemian energetycznych w procesie tarcia w szerszym niż tylko procesy cieplne ujęciu. Uważał on, że cała praca tarcia wydatkowana jest na tworzenie nowej powierzchni styku trących się ciał. Większa część tej pracy składa się z pracy odkształcenia materiału do chwili oderwania cząstki zużycia od głównej masy, z pracy odkształcenia materiału rodzimego i z pracy oderwania cząstki materiału. Założenie idealizacyjne W.D. Kuzniecowa polega na przyjęciu, że cała praca tarcia pochłaniana jest przez procesy kształtujące powierzchnię styku ciał. Wśród tych procesów podstawowe znaczenie mają zjawiska powodujące powstawanie cząstek zużycia. Twórca tego modelu nie zwrócił uwagi na to, że pierwszy etap transformacji praca tarcia–ciepło stanowią zjawiska kumulacji wytworzonego ciepła w materiale pary tarcia. Kumulacji towarzyszą zjawiska propagacji ciepła przez przetworzenie, kumulację i promieniowanie. Zdaniem Zb. Lawrowskiego [L. 8] rozważania Kuzniecowa należy uznać za ważny początek „rozważań energetycznych” nad procesami zużywania. „Również w aspekcie energetycznym, lecz zgoła inaczej niż inni autorzy podchodzi do procesu tarcia B.J. Kostecki (1970). Rozróżnia on dwa przebiegi tarcia normalny i potologiczny. W pierwszym wypadku chodzi o proces ustalony przebiegający we wtórnych strukturach utwo- 1-2011 TRIBOLOGIA 25 rzonych w warstwie wierzchniej ciał trących się, charakteryzujący się stabilnością wartości współczynnika tarcia i nie powodujący awaryjnego zużywania materiałów. W drugim mamy do czynienia z nieustalonymi stanami procesu tarcia, którym towarzyszy intensywne zużywanie się materiałów, a nawet zatarcie powierzchni” [L. 8]. B.J. Kostecki uważa, że rozważaniami nad prawidłowościami procesu tarcia mogą dotyczyć wyłącznie tarcia normalnego, tj. takich warunków, w których oddziaływanie mechaniczne, fizyczne, chemiczne, elektryczne i inne pomiędzy dwiema powierzchniami mają w pełni określony charakter. [L. 8]. Przyjęcie takiego założenia idealistycznego prowadzi do stworzenia systemu logicznego, w którym wszystkie wynikające z niego wnioski, w miarę oddalania się od założeń podstawowych są coraz trudniejsze do empirycznego zweryfikowania. Z tego względu moduł B.J. Kosteckiego można potraktować jako skrajny przypadek idealizacji w modelach zjawisk tarciowych. ZAKOŃCZENIE Omówiona w tym opracowaniu idealizacja zastosowana w modelach interpretacyjnych tarcia suchego stanowi egzemplifikację podstawowej zasady wszelkiego modelowania obiektów, procesów i zjawisk. Od identyfikacji przyjętych założeń idealizacyjnych zaczyna się analiza każdego modelu opisanego w literaturze, ponieważ w bardzo wielu przypadkach modele takie mają tylko hipotetyczny charakter i nie mogą być zrealizowane w empirycznej praktyce badawczej. Należy je więc poprzedzać konkretyzacją. Zastosowanie metody idealizacji w tworzeniu modeli interpretacyjnych nie wyczerpuje możliwości jej wykorzystania w badaniach naukowych. Można rozważać jej zastosowanie w projektowaniu procedur badawczych, idealnych eksperymentów, idealnych stanowisk badawczych, idealnych układów pomiarowych, a nawet charakteryzować sylwetki idealnych badaczy. 26 TRIBOLOGIA 1-2011 LITERATURA 1. Krajewski W. (red.): Słownik pojęć filozoficznych. Wydawnictwo Naukowe SMOLARZ, Warszawa 1996. 2. Życiński J.: Język i metoda. Społeczny Instytut wydawniczy ZNAK, Kraków 1983. 3. Leszek W.: Nieempiryczne procedury badawcze w naukach przyrodniczych i technicznych. Wydawnictwo ITeE, Radom 1999. 4. Nowak L.: Idealizacja. W: Filozofia a nauka. Zarys Encyklopedyczny. Ossolineum, Wrocław 1987. 5. Dieriagin B.W.: Co to jest tarcie. PWN, Warszawa 1956. 6. Leszek W.: Morfologiczne podstawy badań tribologicznych. PWN, Warszawa – Poznań 1984. 7. Hebda M., Vachal A.: Trybologia. Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 1980. 8. Lawrowski Zb.: Tribologia. Tarcie, zużywanie i smarowanie. PWN, Warszawa 1993. Recenzent: Marian SZCZEREK Summary The article presents the principles of the idealisation method and its functions in modelling of physical phenomenon. The method of idealisation in tribology was presented using the example of the interpretational models of dry friction (from Amonton’s model to Kragielski’s model). The possibilities of the method application in the tribological experiment is considered and proved.