Շփում (ֆիզիկա)

Շփում, հպվող մարմինների մեխանիկական ազդեցություն, որը տեղի է ունենում մարմինների հպվող մակերևույթների հարաբերական շարժման (արտաքին շփում) կամ հեղուկների, գազերի ու դեֆորմացվող մարմինների ներքին զուգահեռ շերտերի փոխադարձ տեղաշարժի ժամանակ (ներքին շփում կամ մածուցիկություն)։
Սովորաբար շփում ասելով ի նկատի են ունենում արտաքին շփումը։
Շփումը հիմնականում էլեկտրոնային բնույթ ունի, եթե նյութը գտնվում է նորմալ վիճակում։ Գերհաղորդիչ վիճակում, կրիտիկական ջերմաստիճանից հեռու պայմաններում, շփման հիմնական աղբյուր են հանդիսանում ֆոնոնները, իսկ շփման գործակիցը փոքրանում է մի քանի անգամ։
Շփման գործընթացների ուսումնասիրությամբ զբաղվում է ֆիզիկայի բաժինը, որը կոչվում է շփումային փոխազդեցությունների մեխանիկա կամ տրիբոլոգիա (շփագիտություն)։


== Շփման ուժ ==
Շփման ուժն առաջանում է երկու հպվող մարմինների հարաբերական շարժման ժամանակ և խոչընդոտում է նրանց շարժումը։ Շփման առաջացման պատճառը մակերևույթների խորդուբորդություններն են և մոլեկուլների փոխազդեցությունը։ Շփման ուժը կախված է նյութի տեսակից և նրանից, թե մարմիններ միմյանց ինչ ուժով են սեղմում։ Շփման պարզագույն մոդելներում (Կուլոնի օրենքը շփման համար) համարվում է, որ շփման ուժը ուղիղ համեմատական է շփվող մակերևույթների միջև նորմալ ռեակցիայի ուժին։ Ընդհանուր առմամբ, շփվող մարմինների փոխազդեցության գոտում տեղի ունեցող ֆիզիկաքիմիական գործընթացների բարդությամբ պայմանավորված՝ շփման գործընթացները սկզբունքորեն չեն ենթարկվում դասական մեխանիկայի պարզ մոդելների նկարագրությանը։


=== Շփման ուժի տեսակներ ===
Շփման ուժերը բաժանվում են երեք տեսակների․

Սահքի շփման ուժ, առաջանում է հպվող մարմինների հրաբերական շարժման ժամանակ, ուղղված է շարժման ուղղությանը հակառակ։
Ճոճման շփման ուժ, առաջանում է շփվող/փոխազդող մարմիններից մեկի՝ մյուսի նկատմամբ ճոճվելու ժամանակ։
Դադարի շփման ուժ, առաջանում է հպվող մակերևույթների միջև և խանգարում հարաբերական շարժմանը։ Այդ ուժը պիտի հաղթահարվի, որպեսզի շարժման մեջ դրվի մարմիններից որևէ մեկը։
Գլորման շփման ուժ, ուժի մոմենտ է, որն առաջանում է հպվող մարմինների միջև՝ մարմիններից մեկի՝ մյուսի մակերևույթին գլորման ժամանակ, ուղղված է գլորման ուղղությանը հակառակ։ Որոշվում է 
  
    
      
        M
        =
        p
        N
      
    
    {\displaystyle M=pN}
  , բանաձևով, որտեղ 
  
    
      
        N
      
    
    {\displaystyle N}
   նորմալ ճնշումն է, 
  
    
      
        p
      
    
    {\displaystyle p}
   գլորման շփման գործակիցն է, որն ունի երկարության չափայնություն։


== Կիրառական նշանակություն ==


=== Շփումը մեխանիզմներում և մեքենաներում ===
Շատ ավանդական մեխանիզմներում (ներքին այրման շարժիչ, ավտոմեքենաներ, ատամնավոր մեխանիզմներ և այլն) շփումը բացասական դեր է խաղում՝ նվազեցնելով մեխանիզմի օգտակար գործողության գործակիցը։ Շփման ուժը նվազեցնելու համար օգտագործվում են բնական և սինթետիկ տարբեր յուղեր և քսանյութեր։ Ժամանակակից մեխանիզմներում այս նպատակով օգտագործվում են նաև պրոֆիլակտիկ ծածկույթներ (բարակ թաղանթ) դետալների վրա։ Մեխանիզմների մանր տարրերի և միկրոէլեկտրոմեխանիկական համակարգերի և նանոէլեկտրոմեխանիկական համակարգերի ստեղծմամբ շփման մեծությունը մեխանիզմի մեջ գործող ուժերի համեմատ մեծանում է և դառնում է շատ զգալի 
  
    
      
        (
        μ
        ⩾
        1
        )
      
    
    {\displaystyle (\mu \geqslant 1)}
  , և միևնույն ժամանակ չի կարող նվազեցվել սովորական քսուքների միջոցով, ինչն առաջացնում է տվյալ ոլորտի ինժեներների և գիտնականների զգալի տեսական և գործնական հետաքրքրություն։ Շփման խնդրի լուծման համար ստեղծվել են այն նվազեցնելու նոր մեթոդներ տրիբոլոգիայի և մակերեսի մասին  գիտության բնագավառում։


=== Կառչում մակերևույթին ===
Շփման առկայությունը հնարավորություն է տալիս տեղաշարժվել մակերևույթի վրայով։ Այսպես երբ մարդը քայլում է,  շփման շնորհիվ տեղի է ունենում ներբանի կառչում հատակին, որի արդյունքում տեղի է ունենում հրում հատակից, և մարդը շարժվում է առաջ։ Նմանապես այն ապահովում է անիվների մեքենայի կառչումը ճանապարհի մակերևույթին։ Մասնավորապես, կառչումը ավելի ուժեղացնելու համար մշակվել են ռետինե անվադողերի  նոր ձևեր, իսկ մրցարշավների մեքենաների վրա տեղադրվում են հակաթևեր, որոնք ավելի ուժեղ են սեղմում մեքենան ճանապարհին։


== Պատմություն ==
Հույներին, այդ թվում՝ Արիստոտելին, Վիտրուվիոսին և Պլինիոս Ավագին հետաքրքրել են շփման պատճառ և դրա նվազեցումը։ Նրանք գիտեին ստատիկ և կինետիկ շփման միջև տարբերությունների մասին, իսկ Ֆեմիստիոսը 350 թվականին պնդում էր, որ «ավելի հեշտ է շարունակել շարժվող մարմնի շարժումը, քան տեղափոխել հանգիստ վիճակում գտնվող մարմինը։
1493 թվականին Լեոնարդո դա Վինչին բացահայտել է լոգարիթմական շփման դասական օրենքները․ նա եղել է տրիբոլոգիայի պիոներ, սակայն նրա նոթատետրերում փաստաթղթավորված օրենքները չեն հրապարակվել և մնացել են անհայտ։ Այդ օրենքները նորից է բացահայտվել Գիյոմ Ամոնթտնը 1699 թվականին և հայտնի են դարձել որպես Ամոնտոնի չոր շփման երեք օրենք։ Ամոնտոնը շփման բնույթը ներկայացրել է մակերևույթի անհարթությունների և այն ուժի տեսանկյունից, որն անհրաժեշտ է քաշի ավելացման համար, որը մակերևույթները ճնշում է միմյանց։ Այս տեսակետը զարգացրել են Բեռնար Ֆորեստ դե Բելիդորը և Լեոնարդ Էյլերը 1750 թվականին, որոնք  դուրս են բերել բեռի բնական թեքության անկյունը և առաջին անգամ տարբերակել են ստատիկ և կինետիկ շփումը։ Ջոն Թեոֆիլ Դեզագյուլեն 1734 թվականին առաջինն է բացահայտել ադգեզիայի դերը շփման մեջ։ Այս միկրոսկոպիկ ուժերը մակերևույթներին ստիպում են կպչել միմյանց, և նա ենթադրել է, որ շփումն այն ուժն է, որն անհրաժեշտ է հպվող մակերևույթները միմյանցից պոկելու համար։
Շփման ընկալումը հետագայում զարգացրել է Շառլ Օգյուստեն Կուլոնըը (1785)։ Վերջինս հետազոտել է շփման վրա ազդող չորս հիմնական գործոնների ազդեցությունը՝ շփվող նյութերի բնույթը և դրանց մակերևույթների ծածկույթը, մակերևույթի մակերեսի երկարությունը, նորմալ ճնշումը (կամ ծանրաբեռնվածությունը) և մակերևույթների շփման տևողությունը (հանգստի ժամանակը): Կուլոնը դիտարկել է նաև սահելու արագության, ջերմաստիճանի և խոնավության ազդեցությունը, որպեսզի գտնի տարբերություններ բնության իկորտիկ բացատրությունների միջև։ Ստատիկ և կինետիկ շփման միջև տարբերությունը հայտնվել է Կուլոնի շփման օրենքում, թեև այդ տարբերությունն արդեն նկատել էր Յոհան Անդրեաս ֆոն Զեգերը 1758 թվականին։ Հանգստի ժամանակի էֆեկտը բացատրել է Պիտեր վան Մուշենբրուքը 1762 թվականին՝ դիտարկելով միմյանց կառճած թելերի մազիկավոր մակերևույթները, որը տևում է վերջնական ժամանակ, որի ընթացքում մեծանում է շփումը։ 
Ջոն Լեսլին (1766-1832) նշել է Ամոնտոնի և Կուլոնի հայացքների թույլ լինելը. եթե շփումն առաջանում է այն պատճառով, որ բեռը բարձրանում է հաջորդական ելուստներով թեք հարթության վրա, ապա ինչու այն չի հավասարակշռվում հակառակ կողմի թեքությամբ դեպի ներքև շարժումով։ Լեսլին նույնքան թերահավատորեն էր վերաբերվել Դեզագյուլեի առաջարկած ադգեզիայի դերին, որը, ընդհանուր առմամբ, պետք է հանգեցնի ինչպես շարժման արագացմանը, այնպես էլ դանդաղեցմանը։ Լեսլիի կարծիքով՝ շփումը պետք է դիտարկել որպես հարթեցման, անհարթությունները ճնշելու՝ ժամանակից կախված գործընթաց, որը նոր խոչընդոտներ է ստեղծում այն տեղերում, որոնք նախկինում խոռոչներ էին։
Արթուր-Ժյուլ Մորենը (1833) մշակել է սահքի շփման հայեցակարգը՝ համեմատած ճոճման շփման հետ։ Օսբոռն Ռեյնոլդսը (1866) դուրս է բերել մածուցիկ հոսքի հավասարումը։ Դա ավարտել է շփման դասական էմպիրիկ մոդելը (ստատիկ, կինետիկ և հեղուկ), որը սովորաբար օգտագործվում է ներկայում տեխնիկայի մեջ: 1877 թվականին Ֆլեմինգ Ջենկինը և Ջեյմս Ա. Յուինգը հետազոտել են ստատիկ և կինետիկ շփման անընդհատականությունը։
20-րդ դարում հետազոտությունների ուշադրության կենտրոնում եղել է շփման ֆիզիկական մեխանիզմների ըմբռնումը։ Ֆրանկ Ֆիլիպ Բոուդենը և Դևիդ Թեյբորը (1950) ցույց են տվել, որ միկրոսկոպիկ մակարդակում մակերևույթների միջև շփման փաստացի մակերեսը տեսանելի տարածքի շատ փոքր մասն է կազմում։ Այս փաստացի շփման տարածքը, որը պայմանավորված է անհարթություններով, աճում է ճնշման ավելացման հետ։ Ատոմա-ուժային մանրադիտակի (1986) զարգացումը գիտնականներին թույլ է տվել ուսումնասիրել շփում  ատոմային մասշտաբում՝ ցույց տալով, որ այս մասշտաբով չոր շփումը միջմակերևութային տեղաշարժվող լարման և շփման տարածքի արդյունք է։ Այս երկու հայտնագործությունները բացատրում են Ամոնտոնի առաջին օրենքը․ մակրոսկոպիկ համաչափությունը չոր մակերեսների միջև շփման նորմալ ուժի և ստատիկ ուժի միջև։


== Ամոնտոն-Կուլոնի օրենք ==
Շփման հիմնական բնութագիր է շփման 
  
    
      
        μ
      
    
    {\displaystyle \mu }
   գործակիցը, որը որոշվում է այն նյութերով, որոնցից կազմված են շփվող մարմինների մակերևույթները։

Պարզ դեպքերում 
  
    
      
        F
      
    
    {\displaystyle F}
   շփման ուժը և 
  
    
      
        
          N
          
            n
            o
            r
            m
            a
            l
          
        
      
    
    {\displaystyle N_{normal}}
   ճնշման ուժը (հենարանի հակազդեցության ուժը) կապված են հետևյալ անհավասարությամբ․

  
    
      
        
          |
        
        F
        
          |
        
        ⩽
        μ
        
          
            N
            
              n
              o
              r
              m
              a
              l
            
          
        
        ,
      
    
    {\displaystyle |F|\leqslant \mu {N_{normal}},}
  


== Ծանոթագրություններ ==


== Գրականություն ==


=== Ամսագրեր ===
Трение, Износ, Смазка, журнал о трении.
Трение и Износ, журнал о трении издаётся Национальной Академией Наук Беларуси с 1980 г.
Journal of Tribology Archived 2013-01-16 at the Wayback Machine., международный журнал о трении.
Wear, международный журнал о трении и износе.
Таблицы коэффициентов трения, численные значения коэффициентов трения.