História trenia
Predstavy o trení v minulosti ovplyvnili dve udalosti:
1. zákon zotrvačnosti, ktorý objavil G.Galilei na prelome 16. a 17. storočia,
2. schopnosť mechanickej energie meniť sa na teplo, ktorá bola objavená B. Thompsonom o dve storočia neskôr.
 
Napriek tomu poznatky súvisiace s trením siahajú oveľa hlbšie do minulosti. Trenie ako fenomenálny jav prírody poskytlo človeku pred 500000 rokmi oheň a teplo ako základný predpoklad jeho existencie, čo dokazujú aj staré egyptské reliéfy a nástenné maľby. Z nich vyplýva aj skutočnosť, že už v tomto období bolo známe, že medzi trecie plochy privádzaná kvapalina znižuje trenie, a tým aj silu potrebnú na uvedenie bremena do pohybu. Človek sa stretol s trením pri výrobe nástrojov a zbraní, pri vŕtaní otvorov do kamenných sekier a mlatov. Pred 5000 rokmi v Mezopotámií vynašiel koleso a nahradil prenášanie bremien valením. Dokonca na zníženie trenia začal používať rastlinné a živočíšne tuky (okolo roku 1400 p.n.l.). Prvé teórie o trení sa začali rozvíjať však oveľa neskôr.

Už Aristoteles (384 p.n.l. - 322 p.n.l.) sa stretol s problémom trenia resp. odporom prostredia, pri skúmaní pohybu telies v prostredí. Podľa neho bol priestor, v ktorom sa telesá pohybovali, vždy vyplnený hmotou a nedal sa bez nej predstaviť. Preto pre Aristotela musela existovať stála sila, ktorá pri pohybe telesa so stálou rýchlosťou, prekonávala odpor prostredia, ktorý podľa neho bol závislý od hmoty (dnes hmotnosti) telesa.

Otázkami odporu sa zaoberal aj Galileo Galilei (1564 – 1642). Ako prvý, experimentálne dokázal, že voľné padajúce teleso sa pôsobením stálej sily pohybuje rovnomerne zrýchlene. Tvrdil: ,,Pri pohybe v prostredí s odporom, ktorý je úmerný narastajúcej rýchlostí padajúceho telesa, s nepretržite sa zväčšujúcim odporom, dochádza k neustálemu zmenšovaniu sa rýchlosti až odpor dosiahne takú hodnotu, že rýchlosť zanikne a teleso sa bude ďalej pohybovať rovnomerne.“ Galilei pritom uvažoval pohyb telesa v jednoduchých podmienkach - vo vákuu a potom ich zovšeobecnil na bežné podmienky. Analýzou pohybujúcich sa telies vplyvom stálej sily vo vákuu došiel k novým faktom, týkajúcich sa odporu:

1. Galileiho odpor nezávisel od rýchlostí pohybu prostredia, ani od charakteru prostredia (mohol sa prejavovať aj vo vákuu). Odpor závisel len od hmoty (hmotnosti) telesa, čo znamenalo, že pre nekonečne mnoho telies je Galileiov odpor pohybu rovnaký, ak ich hmoty sú rovnaké.

2. Odpor vznikol len pri pokuse zmeniť rýchlosť alebo smer pohybujúceho sa telesa a pri uvádzaní telesa z pokoja do pohybu. Odtiaľ tiež vyplynulo, že odpor rovnomerného pohybu telesa je celkom podmienený silami trenia.

Z ohromujúcimi poznatkami o trení, na vtedajšiu dobu, prišiel Leonardo da Vinci (1452 – 1519). Jeho metódy boli založené na skúmaní strojov a mechanizmov ako fyzikálnomechanických systémov,  u ktorých bral do úvahy schodnú konfiguráciu súčiastok strojov, ich deformáciu pri záťaži a pri zohrievaní, ako aj opotrebovanie a straty energie pri pohybe v dôsledku trenia. Tvrdil: ,,Sila trenia závisí od materiálu dotykajúcich sa povrchov a tiež od stupňa ich opracovania a nezávisí od plochy dotýkajúcich sa povrchov, je priamoúmerná váhe nákladu (zaťaženiu) a môže byť zmenšená pomocou vložených valčekov alebo mazacích látok medzi trecími povrchmi. “ Okrem toho skúmal koeficient trenia rôznych telies. Z pozorovania zistil, že hodnota koeficientu trenia je rôzna pre rôzne telesá, a že pre všetky kovy nadobúda rovnakú hodnotu 0,25. Pre zníženie trenia v strojoch a motoroch hlavne v uzlových bodoch (uzloch), navrhol a skonštruoval ložisko. Zaoberal sa konštrukciou nielen guľkových, ale aj valčekových ložísk, preto je právom pokladaný za ich vynálezcu. Leonardo ako prvý konštatoval, že základnou príčinou opotrebovania ozubených kolies je ich vzájomné prešmykovanie a definoval optimálny profil zubov až do ich opotrebovania.

Prvým, kto matematicky definoval jav trenia, bol Guillaume Amontons (1663 – 1705). Tento vzťah vyjadroval závislosť sily trenia od nákladov v tvare

                                                                                                       (1)                          

 kde  T - je sila trenia, N - normálová tlaková sila, ktorou je teleso pritlačené ku podložke a f - koeficient trenia. Tento vzťah nebol až taký triviálny ako sa zdal, pretože z neho vyplývala nezávislosť sily trenia od nominálnej plochy kontaktu, ktorá sa dala potvrdiť experimentálne aj týmto vzťahom, ale aj napriek tomu fyzikálny význam tohoto zákona ostáva stále predmetom diskusií i v súčasnej dobe. Amontons sa pokladá za zakladateľa geometricko-mechanickej teórie trenia.

John Theophilus Desagulier (1683 – 1744) mal významný vplyv na štúdium trenia. Zaoberal sa drsnosťou povrchov pričom zistil, že povrchy, ktoré sú vybrúsené sa šmýkajú ľahšie, ale na druhej strane, že čím viac sú vybrúsené rovné povrchy kovov a iných telies, tým je väčšie trenie medzi nimi. Prisudzoval to priľnavosti medzi dvoma povrchmi. Vyslovil hypotézu, že priľnavosť je prvkom procesu trenia, ktoré sa zdalo popretím experimentov, pretože podľa Amontonsovho vzťahu (1) trenie nezáviselo od plochy kontaktu. Preto fyzici zaoberajúci sa touto problematikou popierali Desagulierovu hypotézu a venovali viac pozornosti geometrickým hypotézam trenia. V roku 1729 Desagulier publikuje prácu, v ktorej vysvetľuje trenie podľa molekulárnych väzieb.

Leonhard Euler (1707 – 1783) prispel k poznatkom o trení tým, že rozdelil sily odporu, ktoré prekonáva stroj pri pohybe na sily zotrvačné a sily trenia. Využitím Galileiho princípu zotrvačnosti vyvodil vzorec pre koeficient kinetického trenia pre prípad rovnomerne zrýchleného kĺzania telesa po naklonenej rovine v tvare :

                                                                                           (2)

kde a - uhol sklonu naklonenej roviny, s - dráha trenia, t - čas kĺzania telesa a g -zrýchlenie tiažovej sily. Tento vzorec umožnil oddeliť zotrvačný efekt od trenia a vo výsledku využiť pre zhodnotenie f  rovnomerne zrýchlený pohyb a nie rovnomerný.

Euler pri odvádzaní vzťahu (2) teoreticky vychádzal z podmienok statickej rovnováhy kvádra, ktorý bol v kontakte s naklonenou rovinou (Obr. 1).

Obr.1: Obrázok k odvodeniu Eulerovho vzťahu pre koeficient kinetického trenia.

Normálovú silu N a treciu silu T vyjadril v tvare

kde a - uhol sklonu naklonenej roviny, G – tiaž kvádra a F_s – sila, ktorá predstavuje šmýkanie telesa smerom nadol. Podľa definície (1) koeficient šmykového trenia f  je daný podielom trecej sily a normálovej sily, teda

                                       kde                            (3)                                     

Vzťah (3) predstavuje koeficient trenia v pokoji (statické trenie) za podmienky, že F_s = 0 a potom nadobúda známy tvar a koeficient trenia v pohybe (kinetické trenie), keď . Z tohto vzťahu ďalej vyplýva, že kinetické trenie je menšie ako trenie v pokoji. V ďalšom kroku analýzy Euler vychádzal z Galileiho experimentov na naklonenej rovine a položil

a preto pre koeficient kinetického trenia platí

Táto analýza bola založená čisto na geometrickom hľadisku, pričom neboli brané do úvahy sily v kontaktnej zóne, elastické vlastnosti telies v kontakte ani reálna plocha kontaktu.

 Ďalším nie menej známym výsledkom Eulera v oblasti trenia bolo odvodenie vzorca pre kotviace lano, ktoré drží loď, v tvare

                                                                                                      (4)

kde  podiel F₂ a F₁ je zisk (nárast) sily, ktorá zabezpečuje trenie, a - uhol zachytenia a  f - koeficient trenia kotviaceho lana. Tento vzťah spolu so vzťahmi (1) a (2) majú široké využitie v súčasnosti v inžinierskej praxi.

Za zakladateľa vedy o trení sa právom považuje Charles August de Coulomb (1736 – 1806). Vo svojich výskumoch sa zaoberal aspektmi trenia týkajúcich sa odporu kĺzania, odporu valenia a odporu pri uvádzaní do pohybu. Vo svojich experimentoch vychádzal hlavne z praktických úloh, ktoré boli spojené s požiadavkami ľudstva.  V tom období prechod mechanickej energie na teplo nikoho nezaujímal a samotný pojem "energia" nebol známy. Preto Coulomb úplne ignoroval energetické a tepelné aspekty trenia a sústredil všetku svoju činnosť na zmeranie síl odporu pohybu. Z pozorovania šmykového trenia rôznych druhov dreva, kovov a materiálov zovšeobecnil Amontonsov zákon na prípad, keď časť trenia nezávisí alebo len málo od nákladu, v tvare

                                                                                                 (5)

kde   A – je člen, ktorý berie do úvahy priľnavosť  povrchov a rozmery dotykovej plochy.

Coulomb ako prvý, si uvedomil, že trenie je podmienené množstvom faktorov. Naznačil, že na koeficient trenia majú značný vplyv, okrem nákladu a rýchlosti kĺzania, aj dvojica materiálu podliehajúca treniu, stupeň drsnosti povrchov a vlhkosť atmosféry. Odvodil aj vzťah pre valivé trenie v tvare    

                                                                                                        (6)

kde  r - polomer kotúľajúceho (valiaceho) sa valčeka, N – váha valčeka a x - koeficient valivého trenia majúci rozmer dĺžky.

Dôležitý obrat pri skúmaní trenia urobil Benjamin Thompson (neskôr lord Rumford) (1753 – 1814), ktorý pochopil, že mechanická energia sa pri trení nestráca, ale sa mení na teplo. Pozorovaním dejov pri vŕtaní hlavní na delách  došiel k záveru, že silné zahriatie materiálu je priamym dôsledkom prechodu mechanickej energie na teplo pri vŕtaní. Týmto objavom Thompson umožnil rozvoj nových fyzikálnych teórií (napr. kinetickej teórie tepla), ktoré umožnili iný pohľad  na trenie ako proces spojený s prenosom tepla a energie.

Behom niekoľkých storočí sa rozvíjali rôzne teórie o trení. V 40. a 50. rokoch minulého storočia sa tieto teórie zjednotili a súčasný stav dospel do štádia, keď sa uznáva dvojitá mechanicko-molekulárno-adhézna podstata trenia. Medzi najmladšie teórie v tejto oblasti patrí energetická analýza trenia. Jednoznačným prínosom vyššie spomínaných fyzikov bolo, že položili základy fyzikálnemu odboru o trení, ktorý od roku 1966 sa nazýva tribológia (z gréckeho tribos-trenie, logos-slovo, veda). V súčasnosti tribológia rieši rôzne závažne otázky a problémy, ktoré sa týkajú nielen opotrebovania a mazania, ale rôznych oblasti ľudskej spoločnosti (koľajová a automobilová doprava, hutnícky a strojársky priemysel a iné).

 Pozri ešte: Odporová sila pri vonkajšom trení

Ďalšie zdroje: 
http://webphysics.davidson.edu/faculty/dmb/PY430/friction/history.html