Исторический очерк. 
Основные этапы развития трибологии и триботехники

Не следует думать, что наука о трении началась с П. Джоста. Более 2 тыс. лет назад Аристотель в механике подлунных (т.е. земных) тел писал о сопротивлении внешней среды движению тел. Однако никаких даже простых расчетов с помощью его механики сделать было нельзя. На рубеже XVI и XVII веков Галилео Галилей (1564−1642) открыл закон инерции и показал, что сопротивление перемещению оказывает масса тела, а в условиях равномерного движения — только сила трения. Он впервые четко разграничил два принципиально различных вида сопротивления тел перемещению: сопротивление, связанное с инерцией тела, и сопротивление, обусловленное трением. Трение и износ в машинах впервые стал учитывать Леонардо да Винчи. Он — автор первых конструкций подшипников качения, скольжения и зубчатых передач. Описание изобретений Леонардо от приводных механизмов до пулемета и летающих машин отражает целую эпоху в развитии техники.

В 1699 г. Г. Амонтон (1663−1705) открыл закон линейной зависимости трения от нагрузки F= f N, где F — сила трения, N — нагрузка по нормали к поверхности трения, fкоэффициент трения. При видимой простоте этот закон нетривиален. Из него следует независимость силы трения от площади поверхности трения. Т. е. трение кирпича, передвигаемого по плоскому основанию, одинаково, положим ли его плашмя, повернем на бок или поставим на торец. Физический смысл этого закона остается предметом дискуссий и в наши дни. В 1750 году Леонард Эйлер (1707−1783) установил закономерности трения при равноускоренном скольжении. Он первый отметил, что сила трения при переходе пары трения от состояния покоя к движению всегда больше, чем сила трения при скольжении.

Создателем науки о трении считают французского физика Шарля Кулона (1736−1806). В 1781 году за работу в области трения он был удостоен премии Французской Академии наук. Это тот самый Кулон, который установил законы электрического и магнитного воздействия и заложил основы современной электростатики. Он изучил три основных аспекта трения: сопротивление скольжению, качению и страгиванию. При постановке опытов он исходил главным образом из практических задач, связанных с запросами флота: спуск судов по стапелям, определение сил трения в талях и других такелажных системах, сопротивление вращению стрелки компаса на острие и т. д. Переход механической энергии в тепло в те времена никого (в том числе и Кулона) не интересовал. Да и самого понятия «энергия» еще не существовало. Задачи ставились практические: при перетаскивании тяжестей нужно было определить суммарное усилие, а затем потребное количество людей и лошадей. Кулон уточнил закон Амонтона и предложил двучленный закон трения, а также установил закономерности страгивания в зависимости от продолжительности статического контакта. Двучленный закон Кулона имеет вид: F = fN+A, где, А учитывает сцепляемость поверхностей трения. Кулон обладал наблюдательностью ученого и практицизмом инженера. Он первым понял, что трение обусловлено множеством факторов, учесть которые можно лишь приближенно, опираясь на эмпирические соотношения.

Превращение механической энергии трения в теплоту было описано Бальяни в письме к Галилею в 1614 году. Он отметил, что при трении погруженного в воду быстро вращающегося металлического диска о стенку железного сосуда вода закипала. Однако этот опыт до середины XIXв. оставался неизвестным. М. В. Ломоносов (1711−1765) изучал тепловые явления при трении, используя наждачный круг, который терся о плоское контртело, закрепленное на рычажной системе нагружения (1754 г.). Первым человеком, по настоящему понявшим, что механическая энергия при трении не исчезает, а превращается в теплоту, был Б. Томпсон (1753−1814), известный в истории науки под именем графа Румфорда. Он занимался сверлением пушечных стволов и ставил опыты, в которых обрабатываемую тупым сверлом заготовку помещал в воду. Спустя некоторое время вода закипала. В докладе королевскому обществу Лондона он писал: «Источник тепла, возникающего при трении в этих опытах, является, по-видимому, неисчерпаемым». Это казалось по тем временам совершенно неожиданным.

Эта проблема в современном виде была решена в середине XIXв., когда в 1842 году Роберт Майер (1814−1878) и в 1843 году Джеймс Джоуль (1818−1889) выдвинули принцип эквивалентности механической энергии и теплоты, а в 1847 году Герман Гельмгольц (1821−1894) ввел фундаментальное понятие энергии и сформировал закон ее сохранения в наиболее общем виде. Позднее немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822−1888) заложил основы механической теории теплоты и ввел понятие энтропии. Этот термин имеет важное значение для понимания природы трения и его места в физической картине мира. Физический смысл этого поначалу таинственного понятия раскрыл в конце XIXв. создатель статической термодинамики Людвиг Больцман (1844−1906). Он показал, что энтропия — степень неупорядоченности системы. В обычных условиях возможностей для перехода изолированной системы (в частности узла трения) к беспорядку всегда больше, чем вариантов, при которых система упорядочивается или хотя бы сохраняет прежнее состояние. В этом состоит важнейшее для трибологии следствие 2-го закона термодинамики — одного из наиболее общих законов природы.

Далее важнейшие события в истории трения таковы. В 1804 году Лесли выдвинул гипотезу о рассеянии энергии при трении в результате необратимого деформирования неровностей на поверхностях трения. Ранее (1734) Дезагюлье обнаружил схватывание при трении металлических полированных образцов. Спустя полтора столетия Леон Брилюэн (1889−1969) показал возможность рассеяния энергии при трении в результате образования и разрыва адгезионных связей (адгезия — прилипание, сцепление). Так обрела физическую основу адгезионная теория трения.

Уже в наше время идея рассеяния (диссипации) энергии при обмене адгезионными связями между поверхностями трения была развита в различных теориях трения В. Д. Кузнецовым (1887−1963). Эти теории подвергались критике из-за того, что не объясняли многочисленных отклонений от закона Амонтона. Однако техника эксперимента 30-х годов не позволяла осуществить их прямую проверку. Методы исследования, развивавшиеся в 50−60-е годы, позволили тщательно изучить рельеф и микроструктуру поверхностей трения. Это были годы становления молекулярно-механической теории трения, которая создана усилиями И. В. Крагельского (1908;1989), английских трибологов Ф. Боудена и Д. Тейбора. По И. В. Крагельскому сила трения слагается из двух составляющих: сопротивления, обусловленного деформацией материала при внедрении неровностей, а также сопротивления адгезионных связей разрыву.

Режим трения определяется отсутствием или наличием смазочной прослойки между элементами пары трения. В последнем случае устанавливается жидкостная смазка, подчиняющаяся законам гидродинамики. Родоначальниками теории жидкостной смазки являются русский инженер Н. П. Петров (1836−1920) и английский ученый Оскар Рейнольдс (1842−1912). Сейчас на основе этой стройной теории можно рассчитать толщину масляного слоя и прогнозировать режимы трения. В ее создание внесли вклад Н. Е Жуковский (1817−1921), С. А. Чаплыгин (1869−1942), М. В. Коровчинский и др.

Закономерности трения при недостатке смазочного материала раскрыты в трудах Ф. Боудена, Б. В. Дерягина, нашего современника Р. М. Матвеевского и др. Ряд пар трения работает без смазки. «Сухому» трению посвящены работы М. М. Хрущева, И. В. Крагельского, С. Б. Айнбиндера и др.

В процессе трения детали изнашиваются, что приводит к постепенному отказу пар трения. Закономерности изнашивания рассмотрены в трудах М. М. Хрущева, И. В. Крагельского, Б. И. Костецкого, А. В. Чичинадзе, Н. Б. Демкина и др.

Заметный вклад в трибологию внес В. А. Белый (1922;1994) — основатель белорусской трибологической школы, работы которого, посвященные трению полимеров, известны во всем мире.