По воде и посуху

Рассуждая о колесе, мы много говорили о трении, но при этом не надо забывать, что человек придумал колесо по крайней мере за три тысячи лет до того, как появилось само понятие трения. Узнали мы и такое свойство колеса: оно позволяет получить выигрыш либо в силе, либо в расстоянии.

Но этим далеко не исчерпываются возможности колеса. Подумаем вот о чем. В свое время мы договорились, что, если волочить тушу саблезубого тигра по дороге, коэффициент трения будет равен 0,3. На самом деле он может быть и меньше и больше. Но дело не в истинной величине коэффициента трения. Дело в том, что, если груз просто волокут по дороге, коэффициент трения зависит от видов поверхностей дороги и груза, а ни того, ни другого мы изменить не можем. Разве только выберем дорогу получше, хотя для этого придется сделать порядочный крюк.

Совсем иначе дело обстоит с колесом. Независимо от того, станем ли мы тащить по внутренней поверхности колеса сам груз или только ось, прикрепленную к телеге, колесо в отличие от дороги мы делаем сами. Мы можем позаботиться, чтобы внутренняя поверхность колеса была более гладкой. А чем ровнее поверхность, тем меньше коэффициент трения.

Читатель может возразить, что и дороги мы сейчас строим сами и тоже можем сделать их гладкими. Но, во-первых, согласитесь, что гораздо проще отполировать внутреннюю поверхность цилиндра радиусом, скажем, в несколько сантиметров, чем дорогу длиной в несколько сот километров. А во-вторых, хорошая дорога тогда и хороша, когда она обеспечивает большие значения коэффициента трения скольжения.

Если вернуться к нашему примеру с человеком, идущим внутри колеса, то можно сказать так: пользуясь колесом, он не только сокращает расстояние, но и получает более гладкую дорогу. Вот вам еще одно свойство колеса. Обработав соответствующим образом его внутреннюю поверхность, мы можем уменьшить коэффициент трения скольжения и за счет этого получить дополнительный выигрыш в силе.

Сколь большим может быть этот выигрыш и есть ли здесь какие-нибудь пределы? На первый взгляд кажется, что чем ровнее поверхность, тем меньше трение. Вспомним, что мы говорили о трении. Трение зависит от того, что любая, казалось бы, совершенно гладкая поверхность на самом деле состоит из множества бугорков и впадин. Бугорки цепляются друг за друга. Можно ли отполировать поверхность так, чтобы этих бугорков не было совсем?

Всякое тело состоит из молекул. Между молекулами действуют внутренние силы притяжения, и именно благодаря этим силам молекулы не рассыпаются, а ведут себя как единое твердое тело. Такие же точно силы притяжения действуют между молекулами двух соприкасающихся поверхностей. Чем ровнее поверхность, тем меньше расстояние между молекулами этих поверхностей, тем больше силы притяжения между ними.

Возьмем две металлические пластины и будем полировать их, а потом прикладывать полированными поверхностями друг к другу. Что же получится? По мере того как поверхности становятся все глаже, сначала коэффициент трения уменьшается из-за уменьшения размеров бугорков, цепляющихся друг за друга, а затем начинает увеличиваться за счет увеличения сил взаимного притяжения между молекулами.

Следовательно, за счет одной лишь обработки поверхности можно уменьшить коэффициент трения только до определенных пределов. Практически коэффициент трения между сухими гладкими поверхностями редко удается сделать меньше одной-двух десятых.

Но почему мы сказали «сухими»? Посмотрите на рисунок. Его художник не выдумал — он его перерисовал. В гробнице древнеегипетского вельможи Джехути-Хетепа есть картина. Она рассказывает о перевозке колоссальной каменной скульптуры. Скульптура весила не менее шестидесяти тонн. Чтобы перевезти ее на большое расстояние, потребовались большие деревянные сани. Сани тащили на канатах сто семьдесят два человека.

Как видите, способ перевозки самый примитивный: нет ни колес, ни даже катков. Сани с грузом просто волокли по дороге. Но приглядимся внимательно к рисунку. Возле ступни статуи стоит человек. В руках у него сосуд с водой, и он выливает воду прямо на дорогу перед полозьями. Зачем?

Всем нам не раз приходилось замечать, что тащить какой-нибудь предмет по мокрой дороге гораздо легче, чем по сухой. Правда, в обычной жизни подобный эффект чаще имеет отрицательные последствия: идя по мокрой глинистой тропинке, легко поскользнуться и упасть. Шоферы, едущие по городским улицам после дождя, особенно осторожны, потому что затормозить на мокром асфальте гораздо труднее, чем на сухом, а при резких поворотах машину круто заносит.

Обобщая подобные заключения, мы приходим к выводу, что сила трения скольжения одной мокрой поверхности по другой всегда оказывается меньше, чем сила трения скольжения таких же, но сухих поверхностей. При желании можно повторить опыт со стаканом и легко убедиться, что если дно стакана мокрое, то он будет двигаться легче.

Еще меньшей будет сила трения скольжения, если смочить трущиеся поверхности не водой, а маслом. Это тоже хорошо известно.

Почему так получается? Мы знаем, что причина возникновения силы трения — это неровности трущихся поверхностей. Мы установили также, что, даже если идеально отполировать трущиеся поверхности, то есть лишить их самых ничтожных бугорков й вмятин, трение останется, потому что цепляться друг за друга станут молекулы.

Что же происходит, когда мы смачиваем трущиеся поверхности водой или маслом? Многие жидкости обладают двумя интересными свойствами. Вы, наверное, замечали, что, когда на улице идет дождь, водяные капли как бы прилипают к оконному стеклу. Они медленно сползают под действием собственной тяжести, но не отрываются от стекла. Почему? Потому что между жидкостью и твердым телом существуют силы сцепления. Природа сил сцепления нам известна: жидкость заполняет все микроскопические неровности, молекулы ее оказываются расположенными очень близко к молекулам твердого тела и начинают притягиваться друг к другу. Второе интересное свойство жидкостей состоит в том, что они практически несжимаемы. Как бы мы ни сдавливали каплю воды, ее объем остается почти неизменным.

Если смочить водой плоскую пластинку из твердого материала, вода заполняет все неровности, и сверху пластинка оказывается покрытой водяной пленкой. Сложим вместе две такие пластины и станем двигать одну по другой. Окажется, что на самом деле движется не пластинка по пластинке, а водяная пленка по водяной пленке. Вода по воде. Сила трения скольжения в этом случае будет значительно меньше.

Может быть, зря мы мудрили до сих пор с катками и колесами? Может быть, действительно достаточно поливать дорогу водой, как это делали древние египтяне? Примерно так мы поступаем, катаясь на коньках. «Ну конечно же, — скажет нетерпеливый читатель, — лед — это тоже вода, хотя и твердая!» И будет неправ.

Лед во всех отношениях ведет себя как твердое тело. Правда, сила трения скольжения о гладкую поверхность льда не так уж велика, но и не очень мала. Каждый любитель скользить зимой по ледяным дорожкам на тротуарах знает, что, даже как следует оттолкнувшись, можно проскочить по такой дорожке от силы метров десять. А на коньках по льду при такой же силе толчка можно проехать метров пятьдесят, а то и больше.

Секрет коньков в том и состоит, что у них узкие лезвия. Когда мы стоим на коньках на ледяном поле, площадь поверхности лезвия конька, опирающегося на лед, мала, следовательно, давление очень велико. Под действием этого давления лед тает, и лезвие конька непрерывно смачивается водой. Поэтому сила трения конька о лед мала.

Может быть, так и следует поступать: в холодных местах земного шара строить ледяные дороги, а там, где жарко, просто поливать дороги водой? Давайте подумаем. Первое неудобство сразу бросается в глаза. Скользить по такой дороге будут не только сани с грузом, но и тот, кто их тащит. Ведь мы установили, что, в общем-то, совершенно все равно, считаем ли мы, что, упираясь в дорогу, притягиваем к себе груз или, наоборот, держась за веревку, привязанную к грузу, отталкиваем от себя дорогу.

Египтяне, тащившие статую, придумали не так уж плохо. Сами они шли по сухой дороге, а воду лили прямо под полозья саней. Но так можно поступать, если провезти груз надо всего один раз. Что станет с дорогой, да еще без асфальтового покрытия, если регулярно поливать ее водой, а потом перевозить тяжелый груз, знает каждый.

Ледяные дороги к тому же достаточно хрупкие. Недаром катки приходится заливать заново каждый день, а иногда и чаще. Так что скользкая дорога — вещь во всех отношениях неудобная.

Но если залить водой или какой-либо иной смазкой внутреннюю поверхность колеса? Сила трения скольжения оси о внутреннюю поверхность колеса уменьшится в несколько раз. Смазывающего вещества надо затратить немного, потому что внутренняя поверхность колеса не так уж велика. И дорогу мы при этом не испортим. Отсюда и русская пословица: «не подмажешь, не поедешь».

К слову сказать, для смазки колес мы пользуемся специальными смазочными маслами, а не водой совсем не потому, что масло более «скользкое». С точки зрения получающейся силы трения вода ничуть не хуже масла. Просто по сравнению с маслами вода обладает целым рядом вредных побочных эффектов. Железо от воды ржавеет, а дерево гниет. Кроме того, вода очень быстро испаряется, и водяную смазку пришлось бы непрерывно возобновлять.