Сила сцепления: Теория тяги поездов и тяговые расчеты

Содержание

От чего зависит сцепление шин с дорогой? Часть 1

Дорогие друзья! Два года назад я написал статью «Сцепление шин с дорогой не зависит от площади пятна контакта?», и она вызвала бурную реакцию аудитории. Статья до сих пор находится в блоге, и на ее странице много комментариев, вопросов, споров, рассуждений. Кто-то, прочитав, поблагодарил меня за развенчивание мифов и простое, доступное объяснение физики процесса. Кто-то, наоборот, раскритиковал за излишнюю упрощенность и ограниченность моих рассуждений и аргументов.

За два года, что прошли с момента написания этой статьи, я поучаствовал во многих дискуссиях на эту тему, познакомился с новой литературой, пообщался с другими физиками (сам я – тоже физик по специальности), гонщиками и кое-что переосмыслил. Суть моих размышлений не поменялась, они стали более систематизированы и поменялись формулировки. Вот их я и изложу ниже. Поехали.

Сила трения покоя: закон Амонтона-Кулона

Снова вернусь к школьной физике. Напомню, школьная физика и классическая механика достаточно точно описывают повседневные явления. Пока речь не заходит об очень маленьких масштабах или релятивистких скоростях, классическая механика отлично работает. Более того, в какие бы научные труды о сцеплении шин с дорогой я не заглядывал, я видел в них много страшных зубодробящих формул, интегралов, рядов, но в конце концов все сводилось к одной простой школьной формуле, которая называется законом Амонтона-Кулона:

F = µN = µmg (1)

где µ — коэффициент сцепления, N – сила, прижимающие одно тело к другому (в данном случае, вес шины плюс вес части автомобиля, приходящейся на эту шину), m — масса тела (шины и части автомобиля, приходящейся на эту шину), g — ускорение свободного падения.

То есть сила трения пропорциональна силе, прижимающей одно тело к другому, и коэффициенту трения. В самом простом случае эта сила — вес и представляет собой силу тяжести, то есть произведение массы тела на ускорение свободного падения. И тогда сила трения покоя пропорциональна коэффициенту трения, массе тела и ускорению свободного падения.

Сила трения покоя – она же сила сцепления

Автомобиль движется благодаря силе трения покоя в области контакта шины с дорожным полотном, а не силе трения качения, как иногда думают. Сила трения качения – следствие деформации шины. Она наоборот тормозит движение автомобиля. А пятно контакта шины с дорогой покоится относительно дороги в случае качения шины. Конечно, во время качения в пятне контакта всегда присутствуют элементы протектора, проскальзывающие относительно дороги, но в случае равномерного прямолинейного движения автомобиля в первом приближении их можно не учитывать и считать силу трения силой трения покоя или еще ее называют силой сцепления шины с дорогой, а коэффициент трения покоя – коэффициентом сцепления. При торможении большая часть элементов протектора может скользить вдоль дорожного полотна. В этом случае вращение колеса (и следовательно автомобиль) тормозится силой трения скольжения. Стоит отметить, что обычно сила трения скольжения меньше силы трения покоя.

Перераспределение веса авто между шинами и сцепление с дорогой

Теперь разберем, что есть что в формуле Амонтона-Кулона. Ускорение свободного падения постоянно, его из обсуждения исключаем. Масса в целом тоже постоянна. Конечно, вес автомобиля распределен между 4 шинами, и при изменении скорости и/или траектории движения распределение веса может существенно меняться: какие-то шины разгружаются, а какие-то нагружаются дополнительно.

Перераспределение веса автомобиля между шинами тоже косвенно влияет на их сцепление с дорогой. Скажем, при торможении вес машины частично смещается с задней оси на переднюю, следовательно, сила прижатия задних шин к дороге уменьшается и поэтому сила их сцепления с дорогой ухудшается. Это повышает вероятность заноса автомобиля, но на тормозной путь не влияет, потому что сила сцепления передних колес с дорогой увеличивается из-за перераспределенной нагрузки. Если на одних и тех же шинах будут тормозить Porsche 911 и Porsche Cayenne, у последнего вследствие большей высоты смещение веса с задних шин на передние будет в большей степени, и Cayenne больше рискует попасть в занос. Но тормозной путь от этого меньше не станет. То, что Cayenne тяжелее – тоже не влияет, об этом читайте статью «Тормозной путь не зависит от массы авто?». Поворачивать Cayenne будет конечно же хуже 911-го и на меньших скоростях – как раз из-за более высокого центра тяжести и большего смещения веса и больших кренов.

Кроме того, на перераспределение веса влияет манера вождения. При аккуратном вождении, когда водитель избегает резких поворотов, перестроений, ускорений и торможений (читай, чем меньше нажата педаль тормоза или чем на меньший угол поворачивается руль), запас сцепления шин с дорогой максимален, то есть шины находятся «максимально далеко» от перехода в состояние полного скольжения и, как следствие, управление автомобилем максимально безопасно. Во-вторых, одно и то же перемещение педалей или руля можно совершить по-разному: быстро, резко или по нарастающей, прогрессивно. Резкое нажатие на педаль или поворот руля приведет к соответствующему резкому перераспределению веса с одних шин на другие, и это чревато их срывом в скольжение и сходом с траектории движения. Постепенное же воздействие на органы управления приводит к столь же плавному перераспределению веса, что позволяет шинам цепляться за дорогу без риска скольжения и потери управляемости или устойчивости автомобиля. Убедиться в этом на практике вы можете на курсах контраварийной подготовки водителей, например, при выполнения упражнения «экстренный объезд препятствия».

Практические рекомендации

1. Если вы хотите водить машину по дорогам общего пользования безопасно, а по гоночному треку быстро, перемещайте органы управления (руль, педали газа и тормоза) плавно и постепенно.

Теперь поговорим о том, что в самой шине влияет на ее сцепление.

Коэффициент сцепления шины с дорогой

Остается последний параметр в формуле силы трения Амонтона-Кулона – коэффициент сцепления µ, который, в первую очередь, зависит от природы соприкасающихся поверхностей. Самый показательный пример – сцепление резины с асфальтом куда лучше, чем той же резины со снегом и тем более льдом, несмотря на разные механизмы трения между шиной и этими тремя покрытиями. А при одном и том же дорожном покрытии коэффициент сцепления будет зависеть уже от состава резины и конструкции протектора. Например, на зимних шинах автомобиль куда лучше держит скользкую дорогу, чем на летних. И главное отличие зимних и летних шин – именно разный состав резины и конструкция протектора.

А если вы когда-нибудь смотрели по телевизору Формулу 1, наверняка слышали о разных типах шин и разных составах: «мягкий состав, сверхмягкий состав, жесткий состав». Именно это и оказывает ключевое влияние на коэффициент сцепления, даже в Формуле 1.

Так что же, все? Больше ничего не влияет? И что, этот коэффициент сцепления постоянен? Влияет, и как раз потому, что коэффициент сцепления не является постоянным и зависит от некоторых факторов. Но для начала расскажу о пресловутой площади пятна контакта.

Влияет ли площадь пятна контакта на сцепление шины с дорогой?

На всякий случай напомню, что такое пятно контакта. При контакте с плоским дорожным покрытием ВСЯ шина деформируется, сминаясь и становясь плоской в зоне контакта. Эту зону и называют пятном контакта. Пятно контакта имеет площадь, примерно равную размеру ладони. Обыватели часто думают, что чем больше площадь пятна контакта, тем лучше сцепление шины с дорогой. И еще многие думают, что чем шире шина, тем больше площадь пятна контакта. А следовательно, думают, что чем шире шина, тем лучше ее сцепление с дорогой. Ниже я расскажу обо всем этом по порядку.

Как видно из формулы Амонтона-Кулона, площадь пятна контакта в силу трения не входит. Почему? Ведь, казалось бы, чем больше площадь, тем больше элементов шины участвует в зацеплении и тем больше сила трения. С одной стороны – да, а с другой – чем больше площадь соприкосновения, тем меньше давление шины на дорогу. Выходит баш на баш, и площадь не играет никакой роли. Теперь объясню то же самое на языке физики.

Чтобы было понятнее, куда же делась площадь, можно формулу Амонтона-Кулона (1) переписать иначе, с учетом площади пятна контакта и отразить влияние пятна на давление. Все просто: давление тела на опору или, в нашем случае, шины на асфальт равно весу тела (шины), деленному на площадь контакта:

P = N/S = mg/S (2)

где P — давление шины на дорогу, N = mg — все тот же вес шины.

Тогда отсюда можно выразить вес через давление:

N = PS (3)

Теперь, если подставить эту формулу в закон Амонтона-Кулона, получим:

F = µPS (4)

Или, выражаясь человеческим языком, сила сцепления шины с дорогой пропорциональна коэффициенту сцепления, давлению шины на дорогу и площади пятна контакта. Это именно то, как воспринимает силу сцепления большинство людей. Но здесь зарыта собака – в том, что давление напрямую зависит от площади пятна контакта и обратно пропорционально ему. Об этом нам говорит формула (2). Подставляя сюда выражение для давления, получим:

F = µmgS/S (5)

Тогда площадь мы успешно сокращаем и приходим к закону Амонтона-Кулона (1) и силе сцепления, не зависящей от площади пятна контакта.

Влияние адгезии на коэффициент сцепления

Многие интуитивно полагают, что механизм трения резины объясняется адгезией — её приклеиванием к дорожному покрытию: чем больше площадь соприкосновения, тем больше приклеивание и тем больше сцепление. При этом приклеивание, вроде бы, не очень зависит от прижимающей силы. Действительно, тот же скотч липнет к гладким чистым поверхностям без всякого усилия, обеспечивая великолепное сцепление. Ключевое слово тут – гладкие чистые поверхности. Если поверхность шероховатая и грязная, как асфальт, то скотч будет держать гораздо хуже. На этом эффекте основан принцип защиты поверхностей в городской среде от наклеивания объявлений. И скотч, и объявления не держатся на неровных поверхностях потому, что реальная площадь контакта гораздо меньше площади самого скотча или бумаги. Если материал текучий и его контакт с неровной поверхностью сохраняется достаточно долго, то склеивание будет возможно. Обычная резина – материал мягкий, но не текучий, а времена ее контакта с дорожным полотном довольно малы. В результате, вкладом прилипания в формирование коэффициента трения можно пренебречь. Для желающих разобраться в вопросе самостоятельно, я могу порекомендовать ознакомиться с теориями Гринвуда-Вильямсона и Джонсона-Кендалла-Робертса и последующим развитием теории механики контактного взаимодействия.

Что же касается езды по гоночному треку на спортивных и гоночных шинах, там эффект прилипания шины к поверхности трека может быть более заметным. Отчасти это связано со специфическим составом резины протектора и отчасти – с более высокой температурой, до которой прогреваются шины при гоночной езде. Этот эффект и объясняет, почему коэффициент сцепления гоночных шин может быть заметно больше 1 (у шин в Формуле 1 – около 1,8).

И вот как такой коэффициент сцепления сказывается на практике:

Тормозной путь гоночного болида F1 со скорости 140 км/ч оказался короче на 32 метра, чем обычного дорожного автомобиля, 48 метров против 80, то есть в 1,66 раза короче. Во столько же раз коэффициент сцепления гоночной шины в этом видео больше, чем у дорожной.

Влияние аэродинамической прижимной силы на силу сцепления

Не стоит путать эффект прилипания шин к поверхности трека с эффектом аэродинамической прижимной силы, благодаря которой пилоты Формулы 1 при торможениях, ускорениях и поворотах могут испытывать перегрузки, в несколько раз превышающие величину ускорения свободного падения. А болиды, соответственно, иметь в несколько раз большую динамику торможения и скорость прохождения поворотов, чем обычные дорожные машины. То есть в повороте боковое ускорение величиной 4g (где g – ускорение свободного падения) болиды развивают не за счет прилипания шины и коэффициента сцепления, якобы, в 4 раза большего, чем у дорожных шин, а за счет большой прижимной силы, которая создается антикрыльями на большой скорости и в несколько раз превышает силу тяжести болида.

Увеличенное пятно контакта – спущенные шины

Из практики, площадь пятна контакта можно увеличить, уменьшив давление в шинах. Если спустить шины до 1 атмосферы, то при норме в 2 атмосферы это вдвое меньшее давление и вдвое большая площадь пятна контакта. Так что же, ездовые характеристики машины улучшатся в 2 раза? Конечно же нет и, более того, они ухудшатся. Хотя… тормозной путь уменьшится, но не из-за увеличившегося пятна контакта, а из-за увеличившейся силы трения качения вследствие более мягкой шины и большей ее деформации. А ускорение не станет лучше и будет только хуже – все из-за той же силы трения качения. Ну а в поворотах… машина будет вести себя, как будто водитель сильно пьян 🙂 В общем, не делайте этого – не спускайте шины без необходимости, и, кстати, об этой необходимости…

Увеличение площади пятна контакта за счет спускания шин реально может помочь, если нужно проехать через какие-то рыхлые, зыбучие места. За счет большей площади контакта с поверхностью уменьшится давление шин на поверхность, а значит, и риск провалиться или увязнуть.

Увеличим ширину шин в 10 раз и спасем мир от ДТП?

Обратный пример, узкие шины мотоцикла не делают его более медленным, чем машина, и, более того, он заметно быстрее ее. Быстрее он по другим причинам, но значительно меньшая ширина шины негативного влияния точно не оказывает.

И еще идея – а давайте увеличим ширину шины в 10 раз и тем самым увеличим сцепление в 10 раз, и раз и навсегда решим все проблемы зимней езды, а на асфальте машина вообще будет останавливаться, как вкопанная! И всем всегда будет хватать тормозного пути! Что, вам не нравится эта идея? Правильно, если б все было так просто, это бы давно уже сделали…

В итоге:

увеличение площади пятна контакта => увеличение количества элементов шины, участвующих в зацеплении, и одновременно уменьшение давления шины на дорогу => оба эффекта компенсируют друг друга в равной степени => сцепление шины с дорогой не меняется

Влияет ли ширина шины на площадь пятна контакта?

Более того, увеличив ширину шины, хоть в 10 раз, мы не увеличим площадь пятна контакта, а лишь изменим его форму. Пока вы не закидали меня тухлыми помидорами после этой фразы, я попробую успеть доказать ее :)))

Вспомним, что такое давление – это сила (в нашем случае – сила тяжести, прижимная сила), приходящаяся на единицу площади. Об этом нам говорит формула (2), продублирую ее:

P = N/S = mg/S (2)

где m – масса тела (шины и части машины, приходящейся на эту шину), а S – площадь соприкосновения тел, то есть, в нашем случае площадь пятна контакта.

Отсюда площадь пятна контакта равна

S = mg/P (6)

То есть площадь пятна контакта шины с дорогой тем больше, чем больше вес машины, приходящийся на эту шину, и чем хуже она накачана. И, конечно, на площадь влияет и жесткость боковин шины. Чем жестче боковины, тем меньше деформируется шина и тем меньше деформируется шина при уменьшении давления воздуха в ней. Хороший пример – современные шины с усиленными боковинами Run Flat, которые даже будучи полностью спущенными могут довезти автомобиль до места назначения, не особо проседая. От ширины шины площадь пятна контакта при одном и том же давлении и одной и той же нагрузке не зависит (в первом приближении).

Ширина шины влияет на форму пятна контакта

Прекрасно! А куда же делась ширина шины??? Очень просто, и тут опять работает принцип «баш на баш». Пятно контакта – следствие деформации шины, которая, в свою очередь, возникает вследствие приложенной сверху силы, то есть cилы тяжести самой шины и автомобиля. Чем шире шина, тем шире пятно контакта, что, казалось бы, должно увеличить площадь пятна. С другой стороны, чем шире шина, тем меньшее давление она оказывает на дорогу и тем меньше деформируется. В итоге, при увеличении ширины профиля шины мы имеем ту же площадь пятна контакта, но более вытянутую по ширине и узкую его форму.

В одном из серьезных научных трудов, который попался мне на глаза за последнее время (Автомобильные шины, диски и ободья, Евзович В.Е., Райбман П.Г.), авторы привели результат эксперимента с тремя шинами, две из которых были одной и той же модели, но разного диаметра ширины:

205/55 R16 с площадью отпечатка 173*143 мм = 247,39 см2

225/45 R17 с площадью отпечатка 185*134 мм = 247,90 см2

Как видим, у более широкой шины пятно более вытянутое и узкое, чем у более узкой шины. При этом в квадратных сантиметрах площадь пятна контакта практически одна и та же.

То есть, да, при одном и том же давлении у широкой шины пятно контакта по площади больше, чем у узкой. Но насколько? В данном примере на десятые доли процента, а вообще – максимум на несколько процентов. Теоретически, мы можем поставить на машину вместо шин с шириной профиля 195 мм шины с профилем, скажем, 245 мм. Но на практике это недопустимо по требованиям завода-изготовителя автомобиля. В любом случае, как я писал выше, площадь пятна контакта непосредственно не влияет на силу сцепления, поэтому ни эти доли процента, ни большее увеличение площади (например, за счет снижения давления в шине) погоды нам не сделают.

В итоге:

увеличиваем ширину профиля шины => увеличиваем ширину пятна контакта и одновременно уменьшаем давление шины на дорогу и деформацию шины в зоне контакта => уменьшаем длину пятна контакта => изменяется форма пятна контакта, но не меняется его итоговая площадь (меняется незначительно)

А увеличить площадь пятна контакта можно либо уменьшив давление воздуха в шине, либо увеличив нагрузку на шину сверху.

Сила сцепления шины с дорогой. Итоги

Итак, ширина шины напрямую не влияет на ее сцепление с дорогой по двум причинам:

а) площадь пятна контакта не влияет на сцепление

б) ширина шины не влияет на площадь пятна контакта

Я бы сказал, сила трения имеет «двойную защиту» от ширины шины :)))

Однако ширина шины все же косвенно влияет на силу сцепления, и независимость площади пятна контакта от ширины никак не мешает этому влиянию. Обо всем этом – ниже.

В итоге, сцепление шины с дорогой зависит от:

1) веса, приходящегося на шину, от развесовки автомобиля и динамического перераспределения веса, а значит, и от конструктивных его особенностей – высоты центра тяжести, колесной базы, колеи, подвески, жесткости кузова. Обсуждение этих моментов – отдельная тема и выходит за рамки этой серии статей.

2) коэффициента сцепления (трения покоя). А он, в свою очередь, много от чего зависит, но не от площади пятна контакта! 🙂 Вот параметры, влияющие на величину коэффициента сцепления шины с дорогой, известные мне из университетского курса физики, специальной литературы и из водительского и инструкторского опыта:

тип и качество дорожного покрытия
состав резины протектора
температура шины
скорость движения автомобиля
проскальзывание шины
увод шины

Обо всем этом я подробно напишу в следующих статьях. Кроме того, все эти вопросы мы подробно обсуждаем на курсе безопасного вождения «МВА для водителя: Мастерство Вождения Автомбиля». Конкретно в следующей статье — о влиянии дорожного покрытия, типа протектора шины, рисунка протектора и степени его износа на коэффициент сцепления, а также о зависимости коэффициента сцепления от температуры шины.

Продолжение следует…

Лада Веста — дефекты — журнал За рулем

LADA

УАЗ

Kia

Hyundai

Renault

Toyota

Volkswagen

Skoda

Nissan

ГАЗ

BMW

Mercedes-Benz

Mitsubishi

Mazda

Ford

Все марки

Серьезный гарантийный ремонт настиг редакционную Весту на пробеге 20 000 км.

Лада Веста

Я уже писал о характере работы сцепления, проявившемся с приходом в Москву тепла. Началось все на пробеге около 14 тысяч километров, к 17 тысячам стало поводом для размышлений, а к 20-ти заставило обратиться в сервис. Толкаться на машине в пробках и плавно трогаться стало решительно невозможно!

С проблемой мы посетили сразу нескольких дилеров — в Туле, Ярославле, Твери и Москве. (Отчет о рейде, в котором мы жаловались сервисменам не только на работу коробки, ждет вас в виде отдельного материала в журнале, а потом и на сайте.) Предлагаемый с ходу рецепт был у всех одинаков: должна помочь компьютерная инициализация сцепления. Мастера не скрывали, что на заводе ее не проводят, у дилеров перед продажей тоже делают не всегда. В результате машина ездит, но не так, как должна.

Лада Веста

Материалы по теме

Едем на Ладе Весте в Париж: что говорят французы?

В нашем случае процедура не помогла: рывки и удары сохранялись даже при остывшей коробке. Следующий шаг во всех дилерских центрах тоже был одинаковым: необходима дефектовка сцепления. Столичные мастера, успевшие повидать больше Вест, чем их коллеги в регионах, предложили сразу перейти к «вскрытию». Через их руки прошел уже не один седан с подобной проблемой, причем были случаи ее проявления и на пробеге в 5000 километров.

Замена ведомого диска и корзины сцепления преобразила автомобиль. У меня сложилось впечатление, что наша Веста не ехала так, даже будучи новой! Впрочем, это стандартный эффект от замены умершей детали на исправную. Пропали рывки и дергания, стали плавнее переключаться передачи. Причина — бракованные узлы, устанавливаемые на заводе. Лепестки корзины сцепления деформируются и теряют форму даже при крайне небольшом периоде эксплуатации. Результатом становится именно то поведение машины, которое мы наблюдали. Видимых дефектов или следов износа на диске сцепления нет, но, по словам мастеров, он тоже непригоден для дальнейшего использования.

Проблема не только в том, что неисправность носит массовый характер. Комплекты сцепления в дефиците. К примеру, в Москве нам пришлось ждать его около недели. Хорошо, если дилер, как в нашем случае, заказал детали без разбора узла. А если ваша Веста уже болтается на подъемнике и не способна передвигаться? Кроме того, на замену приходят точно такие же детали. Значит, у нас есть все шансы еще до конца лета снова столкнуться с той же бедой. Будем надеяться, что завод ищет пути для избавления от дефекта.

Наше новое видео

Москвич 3: все подробности и первый тест!

2 российские новинки, которые заменят Ford

Что лучше на бездорожье: Лада Веста Кросс или УАЗ Патриот?

Понравилась заметка? Подпишись и будешь всегда в курсе!

За рулем в Дзен

Отзывы о LADA Vesta (30)

Безымянный

14 марта 2021 года

LADA Vesta 2017 / срок владения до 6 месяцев

Достоинства:

Очень хороший конструтор «Лего» для взрослых

Недостатки:

Этот конструкиор необходимо собрать и доработать, чтобы он стал автомобилем

Комментарий:

Написать отзыв

Новости smi2.ru

Когезионные и адгезионные силы — Химия LibreTexts

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 1499

Силы сцепления и адгезии связаны с объемными (или макроскопическими) свойствами, и, следовательно, эти термины неприменимы к обсуждению атомарных и молекулярных свойств. Когда жидкость вступает в контакт с поверхностью (например, со стенками градуированного цилиндра или столешницей), на нее действуют как силы сцепления, так и силы сцепления. Эти силы управляют формой, которую принимает жидкость. Из-за действия сил сцепления жидкость на поверхности может растекаться, образуя тонкую, относительно однородную пленку по поверхности, этот процесс известен как смачивание. В качестве альтернативы, при наличии сильных когезионных сил, жидкость может разделиться на несколько небольших, примерно сферических шариков, которые стоят на поверхности, сохраняя минимальный контакт с поверхностью.

Адгезионные и когезионные силы

Термин «когезионные силы» является общим термином для коллективных межмолекулярных сил (например, водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса), ответственных за объемное свойство жидкостей, сопротивляющихся разделению. Именно эти силы притяжения существуют между молекулами одного и того же вещества. Например, дождь падает каплями, а не мелким туманом, потому что вода обладает сильным сцеплением, которое плотно стягивает ее молекулы, образуя капли. Эта сила стремится объединить молекулы жидкости, собирая их в относительно большие кластеры из-за неприязни молекул к окружающей среде.

Аналогичным образом, термин «силы сцепления» относится к силам притяжения между разнородными веществами, таким как механические силы (слипание) и электростатические силы (притяжение из-за противоположных зарядов). В случае жидкого смачивающего агента адгезия заставляет жидкость прилипать к поверхности, на которой она находится. Когда воду наливают на чистое стекло, она имеет тенденцию растекаться, образуя тонкую равномерную пленку на поверхности стекла. Это связано с тем, что силы сцепления между водой и стеклом достаточно сильны, чтобы вытащить молекулы воды из их сферического образования и удержать их на поверхности стекла, тем самым избегая отталкивания между подобными молекулами.

Макроскопические эффекты когезионных и адгезионных сил

Когда жидкость помещается на гладкую поверхность, относительная сила когезионных и адгезионных сил, действующих на эту жидкость, определяет форму, которую она примет (и будет ли она смачивать поверхность или нет ). Если силы сцепления между жидкостью и поверхностью сильнее, они будут тянуть жидкость вниз, заставляя ее смачивать поверхность. Однако, если силы сцепления между самой жидкостью сильнее, они будут препятствовать такому слипанию и заставят жидкость сохранять сферическую форму и выпуклость на поверхности.

Случай I: Мениск

Мениск представляет собой кривизну поверхности жидкости внутри сосуда, такого как мерный цилиндр. Однако, прежде чем мы объясним, почему некоторые жидкости имеют мениск вогнутый вверх, а другие — вогнутый вниз мениск, мы должны понять силы сцепления при работе поверхностного натяжения. Вода, например, представляет собой полярную молекулу, состоящую из частичного положительного заряда атомов водорода и частичного отрицательного заряда кислорода. Таким образом, в жидкой воде частичный положительный заряд каждой молекулы притягивается к частичному отрицательному заряду соседней молекулы. Это источник сил сцепления в воде. Молекулы воды, погруженные в жидкость, затем вытягиваются и равномерно выталкиваются во всех направлениях, не создавая чистого притяжения. Между тем, молекулы на поверхности жидкости, лишенные сил притяжения в восходящем направлении, таким образом охватывают результирующее притяжение вниз.

Каким образом эта сила сцепления создает одновременно вогнутую вверх и вогнутую вниз поверхность? Ответ заключается в его отношении к силам сцепления между молекулами воды и поверхностью сосуда. Когда сила сцепления жидкости больше, чем сила сцепления жидкости со стенкой, жидкость вогнута вниз, чтобы уменьшить контакт с поверхностью стенки. Когда сила сцепления жидкости со стенкой больше, чем сила сцепления жидкости, жидкость сильнее притягивается к стенке, чем ее соседи, вызывая вогнутость вверх.

Случай II: Слезы вина

В встряхиваемых бокалах с вином капли вина как бы «плавают» над мениском жидкости и образуют «слезы». Это вековое явление является результатом поверхностного натяжения и когезионных и адгезионных сил. Спирт более летуч, чем вода. В результате «испарение спирта создает градиент поверхностного натяжения, поднимающий тонкую пленку вдоль стенок бокала» (Адамсон). Этот процесс называется «солютным эффектом Марангони». ² Из-за сил сцепления некоторые воды прилипают к стенкам стакана. «Слезы» образуются из-за сил сцепления внутри воды, удерживающих ее вместе. Важно отметить, что градиент поверхностного натяжения является «движущей силой движения жидкости» (Гульотти), но фактическое образование разрывов является результатом когезионных и адгезионных сил.

«Винные слезы» наблюдаются в виде кольца прозрачной жидкости наверху бокала с вином, из которого непрерывно образуются капли, которые снова падают в вино. Это наиболее легко наблюдается в вине с высоким содержанием алкоголя. (CC BY-SA-NC; Грег Эмел)

Задачи

Назовите два примера, где сила сцепления преобладает над силой сцепления и наоборот.
В стеклянном градуированном цилиндре вода представляет собой вогнутый вверх мениск. Однако, когда вода заполнена до кончика цилиндра, уровень воды может поддерживаться выше стенки цилиндра, не выливаясь, напоминая вогнутый вниз мениск. Используйте принципы когезионных и адгезионных сил, чтобы объяснить эту ситуацию.
Объясните, почему водомер может скользить по воде, зная сцепление в воде.
Предложите различные типы сил, на которых могут основываться силы сцепления.

Ответы

Когда сила сцепления больше, чем сила сцепления: вогнутый мениск, вода образует капли на поверхности. Когда сила сцепления больше, чем сила сцепления: мениск вогнут вниз, поверхности покрыты смачивающим веществом, последние капли жидкости в бутылке всегда отказываются выходить.
Поскольку вода образует вогнутый мениск, сцепление молекул со стеклом сильнее, чем сцепление между молекулами. Однако при отсутствии силы сцепления (когда вода достигает кончика стакана) сила сцепления остается. Таким образом, сила сцепления сама по себе доказывает, что она еще может удерживать себя на месте, не вытекая из цилиндра. Этот пример подчеркивает важность того, что силы сцепления и силы сцепления не просто компенсируют друг друга, но именно разница между ними определяет характеристики жидкости.
Эта задача еще раз обращается к концепции поверхностного натяжения. Поскольку сцепление воды основано на слабых межмолекулярных силах воды, когда водомерка выходит на поверхность, потребуется дополнительная энергия, чтобы преодолеть эти связи, чтобы увеличить площадь поверхности. Более того, поскольку гравитационное притяжение водомерки не может преодолеть энергию активации, чтобы разрушить эти межмолекулярные силы, водомерка может свободно скользить по воде.
Дополнительная форма, образование химических связей, слабые межмолекулярные силы, такие как Н-связь или силы Ван-дер-Ваальса.

Ссылки

Петруччи и др. Общая химия: принципы и современные приложения: AIE (твердый переплет). Река Аппер-Сэдл: Пирсон / Прентис-холл, 2007 г.

Гуглиотти, Маркос. «Слезы вина». Журнал химического образования 81.1 (2004): 67-68. Веб. 9 марта 2010 г.
Адамсон, А. В.; Гаст, А. П. Физическая химия поверхностей , 6-е изд. ; Джон Уайли и сыновья: Нью-Йорк, 1997; стр. 371.

Авторы и ссылки

Кэмерон Трейси, Лин Се, Ирэн Лим, Генри Ли

Cohesive and Adhesive Forces распространяется по лицензии CC BY, автором, ремиксом и/или куратором является LibreTexts.

Наверх

Была ли эта статья полезной?

Тип изделия
Раздел или Страница
Лицензия
СС BY
Показать страницу TOC
№ на стр.
Теги
1. сила сцепления
2. сила сцепления
3. мениск
4. Слезы вина
5. смачивающий агент

Сборка силы и фокальной адгезии: тесная взаимосвязь, изученная с использованием эластичных субстратов с микроузором

Yang, J. T., Rayburn, H. & Hynes, R. O. События клеточной адгезии, опосредованные альфа-4 интегринами, необходимы для развития плаценты и сердца. Девелопмент 121, 549–560 (1995).
Google ученый
Шитц, М. П., Фельзенфельд, Д. П. и Гэлбрейт, К. Г. Миграция клеток: регуляция силы комплексов внеклеточный матрикс-интегрин. Trends Cell Biol. 8 , 51–54 (1998).
Артикул
КАС
Google ученый
Росситер, Х., Алон, Р. и Куппер, Т. С. Селектины, свертывание Т-клеток и воспаление. Мол. Мед. Сегодня 3 , 214–222 (1997).
Артикул
КАС
Google ученый
Burridge, K. & Chrzanowska-Wodnicka, M. Очаговые спайки, сократимость и передача сигналов. Анну. Преподобная ячейка. Дев. биол. 12 , 463–518 (1996).
Артикул
КАС
Google ученый
Бершадский А. и Гейгер Б. Ассоциированные с цитоскелетом якорные и сигнальные белки. В Справочник по внеклеточному матриксу, якорным и адгезионным белкам (под редакцией Крейса, Т. и Вейла, Р.) 3–11 (Oxford Univ. Press, 1999).
Google ученый
Хелфман, Д. М. и др. . Кальдесмон ингибирует сократительную способность немышечных клеток и препятствует образованию фокальных спаек. Мол. биол. Сотовый 10 , 3097–3112 (1999).
Артикул
КАС
Google ученый
Ингбер, Д. Интегрины как механохимические преобразователи. Курс. мнение Клеточная биол. 3 , 841–848 (1991).
Артикул
КАС
Google ученый
Ямада, К. М. и Гейгер, Б. Молекулярные взаимодействия в комплексах клеточной адгезии. Курс. мнение Клеточная биол. 9 , 76–85 (1997).
Артикул
КАС
Google ученый
Гейгер Б., Иегуда-Левенберг С. и Бершадский А. Д. Молекулярные взаимодействия в подмембранной бляшке межклеточных и межклеточных спаек. Акта Анат. (Базель) 154 , 46–62 (1995).
Артикул
КАС
Google ученый
Abercrombie, M. & Dunn, G.A. Адгезия фибробластов к субстрату во время контактного ингибирования, наблюдаемая с помощью интерференционной отражательной микроскопии. Экспл. Сотовый рез. 92 , 57–62 (1975).
Артикул
КАС
Google ученый
Choquet, D., Felsenfeld, D. P. & Sheetz, M. P. Жесткость внеклеточного матрикса вызывает усиление связей интегрин-цитоскелет. Cell 88 , 39–48 (1997).
Артикул
КАС
Google ученый
Ривелин, Д. и др. . Приложенная извне локальная механическая сила вызывает рост фокальных контактов по mDia1-зависимому и ROCK-независимому механизму. J. Cell Biol. (в печати).
Харрис А.К., Уайлд П. и Стопак Д. Субстраты из силиконового каучука: новое направление в изучении клеточной локомоции. Science 208 , 177–179 (1980).
Артикул
КАС
Google ученый
Ли, Дж., Леонард, М., Оливер, Т., Ишихара, А. и Джейкобсон, К. Тяговые силы, создаваемые движущимися кератоцитами. J. Cell Biol. 127 , 1957–1964 (1994).
Артикул
КАС
Google ученый
Galbraith, C.G. & Sheetz, M.P. Микромеханическое устройство обеспечивает новый изгиб тяговых сил фибробластов. Проц. Натл акад. науч. США 94 , 9114–9118 (1997).
Артикул
КАС
Google ученый
Дембо М. и Ван Ю. Л. Напряжения на поверхности раздела клетка-субстрат во время передвижения фибробластов. Биофиз. J. 76 , 2307–2316 (1999).
Артикул
КАС
Google ученый
Бертон, К. и Тейлор, Д.Л. Тяговые силы цитокинеза, измеренные с помощью оптически модифицированных эластичных субстратов. Природа 385 , 450–454 (1997).
Артикул
КАС
Google ученый
Бертон, К., Парк, Дж. Х. и Тейлор, Д. Л. Кератоциты генерируют тяговые силы в две фазы. Мол. биол. Моб. 10 , 3745–3769 (1999).
Артикул
КАС
Google ученый
Замир, Э. и др. Динамика и сегрегация спаек клеточного матрикса в культивируемых фибробластах. Nature Cell Biol. 2 , 191–196 (2000).
Артикул
КАС
Google ученый
Замир, Э. и др. Молекулярное разнообразие адгезий клеток к матриксу. J. Cell Sci. 112 , 1655–1669 (1999).
КАС
Google ученый
Дембо, М., Оливер, Т., Исихара, А. и Джейкобсон, К. Визуализация тракционных напряжений, создаваемых двигательными клетками, методом эластичного субстрата. Биофиз. J. 70 , 2008–2022 (1996).
Артикул
КАС
Google ученый
Nobes, C.D. & Hall, A. Rho, rac, и cdc42 GTPases регулируют сборку мультимолекулярных фокальных комплексов, связанных с актиновыми стрессовыми волокнами, ламеллиподиями и филоподиями. Cell 81 , 53–62 (1995).
Артикул
КАС
Google ученый
Cramer, L.P. & Mitchison, T.J. Миозин участвует в постмитотическом распространении клеток. J. Cell Biol. 131 , 179–189 (1995).
Артикул
КАС
Google ученый
Бенинго К.А., Дембо М., Каверина И.Н., Смолл Дж.В. и Ван Ю.-Л. Зарождающиеся фокальные спайки ответственны за генерацию сильных тракционных сил в мигрирующих клетках. Мол. биол. Сотовый 11 , 4 (2000).
Артикул
Google ученый
Zhong, C. et al. Rho-опосредованная сократимость обнажает криптический сайт в фибронектине и индуцирует сборку матрикса фибронектина. J. Cell Biol. 141 , 539–551 (1998).
Артикул
КАС
Google ученый
Шауб А. Распутывание внеклеточного матрикса. Nature Cell Biol. 1 , E173–E175 (2000 г.).
Артикул
Google ученый
Хоу А., Аплин А. Э., Алахари С. К. и Джулиано Р. Л. Передача сигналов интегрина и контроль роста клеток. Курс. мнение Клеточная биол. 10 , 220–231 (1998).
Артикул
КАС
Google ученый
Фельзенфельд Д. П., Шварцберг П. Л., Венегас А., Це Р. и Шитц М. П. Селективная регуляция взаимодействий интегрин-цитоскелет с помощью тирозинкиназы Src. Nature Cell Biol. 1 , 200–206 (1999).
Артикул
КАС
Google ученый
Чикурел, М. Э., Чен, К. С. и Ингбер, Д. Э. Клеточный контроль заключается в балансе сил. Курс. мнение Клеточная биол. 10 , 232–239 (1998).
Артикул
КАС
Google ученый
Файнер, Дж. Т., Мехта, А. Д. и Спудич, Дж. А. Характеристика одиночных актин-миозиновых взаимодействий. Биофиз. J. 68 , 291S–296S (1995).
Артикул
КАС
Google ученый
Бенуа, М., Габриэль, Д., Гериш, Г. и Гауб, Х. Э. Дискретные взаимодействия в клеточной адгезии, измеренные с помощью спектроскопии силы одной молекулы. Nature Cell Biol. 2 , 313–317 (2000).
Артикул
КАС
Google ученый
Оберхаузер А.Ф., Маршалек П.Е., Эриксон Х.П. и Фернандес Дж.М. Молекулярная эластичность белка тенасцина внеклеточного матрикса. Природа 393 , 181–185 (1998).
Артикул
КАС
Google ученый
Каррион-Васкес, М. и др. . Механическое и химическое разворачивание одного белка: сравнение. Проц. Натл акад. науч. США 96 , 3694–3699 (1999).
Артикул
КАС
Google ученый
Белл Г.И. Модели специфической адгезии клеток к клеткам. Наука 200 , 618–627 (1978).
Артикул
КАС
Google ученый
Меркель Р., Нассой П., Леунг А., Ричи К. и Эванс Э. Энергетические ландшафты связей рецептор-лиганд, изученные с помощью динамической силовой спектроскопии. Природа 397 , 50–53 (1999).
Артикул
КАС
Google ученый
Чен, К.С., Мрксич, М., Хуанг, С., Уайтсайдс, Г.М. и Ингбер, Д.Е. Геометрический контроль жизни и смерти клеток. Наука 276 , 1425–1428 (1997).
Артикул
КАС
Google ученый
Доу, Дж. А., Кларк, П. , Коннолли, П., Кертис, А. С. и Уилкинсон, С. Д. Новые методы управления и мониторинга одиночных клеток и простых сетей в культуре. J. Cell Sci. (Приложение) 8 , 55–79 (1987).
Артикул
КАС
Google ученый
Pelham, RJ Jr & Wang, Y. Передвижение клеток и фокальные спайки регулируются гибкостью субстрата. Проц. Натл акад. науч. США 94 , 13661–13665 (1997).
Артикул
КАС
Google ученый
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Курс теоретической физики: Теория упругости. Том. 7 , 2-е изд. (Pergamon Press, Оксфорд, 1970).
Google ученый
Press, W.H., Teukolsky, S.A., Vetterling, W.T. & Flannery, B.P. Численные рецепты на FORTRAN. Искусство научных вычислений. , 2-е изд. (Cambridge Univ. Press, 1992).
Google ученый
Эфрон, Б. и Тибширани, Р. Дж. Монографии по статистике и прикладной вероятности: введение в бутстрап. Том. 57 (Чепмен и Холл, 1993).
Книга
Google ученый
Хардер, Б. А., Хефти, М. А., Эппенбергер, Х. М. и Шауб, М. С. Дифференциальная локализация белков в саркомерных и несаркомерных сократительных структурах культивируемых кардиомиоцитов. Дж. Структура. биол. 122 , 162–175 (1998).
Артикул
КАС
Google ученый
Katz, B.Z. и др. . Физическое состояние внеклеточного матрикса регулирует структуру и молекулярный состав клеточно-матриксных спаек. Мол. биол. Cell 11 , 1047–1060 (2000).
Артикул
КАС
Google ученый
Левенберг С.