Сила трения

Как вы уже знаете, согласно первому закону Ньютона для движения с постоянной скоростью силы не нужны. Почему же движущиеся санки, лодка, шайба и так далее останавливаются, если мы перестаём действовать на них силой? Какие силы препятствуют их движению? Правильно, санки и шайбу останавливает сила трения скольжения. А лодку — сила сопротивления среды.

На практике все силы сопротивления движению разделяют на два вида сил — силы сухого трения (это силы трения покоя, скольжения и качения), которые возникают при взаимодействии соприкасающихся твёрдых тел друг с другом. А также силы сопротивления среды, проявляющиеся при движении тел в жидкости или газе.

Давайте поговорим о каждой из этих сил в отдельности. Начнём с силы трения покоя. И так вспомним, что сила трения покоя — это сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения.

В 1779 году французский физик Шарль Огюстен де Кулон, обобщив научные изыскания Леонардо да Винчи и Гийома Амонтона, установил, что сила трения покоя зависит от того, с какой силой прижимаются друг к другу соприкасающиеся предметы:

Это утверждение часто называют первым законом Амонтона — Кулона.

В записанной формуле μ₀ — это коэффициент трения покоя. Он зависит от рода веществ, из которых изготовлены соприкасающиеся тела, и степени обработки их поверхностей.

По третьему закону Ньютона сила давления равна по модулю и противоположна по направлению силе нормальной реакции опоры, действующей на тело. Поэтому часто формулу используют в том виде, который вы видите на экране:

Следующей мы вспомним силу трения скольжения. Термин скольжение в физике используется для описания движения одного тела по поверхности другого тела.

Проведём опыт. С помощью динамометра будем перемещать деревянный брусок по поверхности стола.

Итак, мы действуем с определённо горизонтальной силой на динамометр, а он передаёт наше воздействие бруску и показывает модуль действующей на брусок силы. Если скорость движения бруска постоянна, то силу, вызывающую движение, должна компенсировать сила взаимодействия бруска с опорой. Ещё в седьмом классе вы узнали, что эта сила называется силой трения скольжения.

Из эксперимента следует, что сила трения скольжения, действующая на тело, направлена противоположно направлению его движения.

А теперь с помощью гири увеличим силу давления бруска на стол. Сила трения тоже возрастает. Как показали многочисленные опыты, при увеличении силы давления в два, три и так далее раза показания динамометра также увеличиваются также в два, три и так далее раза. Значит, модуль силы трения скольжения прямо пропорционален модулю силы давления тела на опору:

Это утверждение часто называют вторым законом Амонтона — Кулона.

Так как по третьему закону Ньютона модуль силы нормального давления равен модулю силы нормальной реакции опоры, то можно записать, что сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормальной реакции опоры:

В записанной формуле μ — это коэффициент трения скольжения. Он зависит от свойств соприкасающихся поверхностей, от их шероховатости и от наличия примесей и загрязнений. Однако опыт показывает, что коэффициент трения не зависит от относительного положения тел. Например, коэффициент трения стали по льду такой же, как и льда при скольжении по стали.

Также коэффициент трения не зависит от площади соприкосновения тел.

Здесь, справедливости ради, хотелось бы отметить, что коэффициент трения скольжения незначительно зависит от скорости движения тела относительно опоры.  Но при решении задач, как правило, это не учитывают.

Обратим внимание ещё и на такой факт. Вы знаете, из личного опыта, что сдвинуть тело с места труднее, чем перемещать его с постоянной скоростью. Это объясняется тем, что коэффициент трения скольжения в большинстве случаев совсем немного меньше коэффициента трения покоя. Так как различия невелики, то при решении задач коэффициенты трения принимают равными по величине и обозначают одной буквой. И поэтому силу трения скольжения в большинстве задач считают постоянной и приближённо равной максимальной силе трения покоя.

И рассмотрим последний вид сухого трения — это трение качения. Одним из достижений в истории человечества считается изобретение несколько тысяч лет назад такого привычного для нас колеса. Если вращающиеся колесо или шар участвуют и в поступательном движении по какой-то поверхности, то возникает сила сопротивления движению, которую называют силой трения качения. Опыт показывает, что при замене скольжения качением сила трения уменьшается (в десятки раз — для дерева по дереву, почти в 100 раз — для стали по стали).

Теперь поговорим о движении тела в жидкости или газе. Здесь тоже есть силы, препятствующие движению. Их называют силами сопротивления. Силы сопротивления в жидкости и газе возникают только при движении тела и среды друг относительно друга (их ещё иногда называют силами жидкого или вязкого трения).

Значит, сила трения покоя в жидкостях и газах равна нулю. Поэтому даже самая маленькая сила, приложенная к телу, вызывает его движение, если этому не препятствуют другие силы. Следовательно, сила вязкого трения не противодействует возникновению движения, и поэтому в механизмы вводят разнообразные смазки для движущихся друг относительно друга частей.

От чего зависит сила сопротивления? Выяснить это можно на опытах, измеряя по показаниям динамометра силу, с которой поток газа или жидкости действует на тело.

Такие опыты показали, что сила сопротивления зависит от следующих факторов:

1. От свойств среды: для данного тела при одной и той же скорости сила сопротивления в воздухе намного меньше, чем в воде, в воде — меньше, чем в сахарном сиропе, и так далее.

2. От размеров тела: сила сопротивления прямо пропорциональна площади их поперечного сечения.

3. От формы тела. Так, например, обтекаемая форма тела у птиц и рыб сводит до минимума силу сопротивления воздуха или воды и тем самым облегчает их движение.

С той же целью обтекаемую форму придают самолётам, речным и морским судам, подводным лодкам.

4. От скорости движения: сила сопротивления возрастает с увеличением скорости движения тела относительно среды. При малых скоростях она растёт прямо пропорционально модулю скорости, а при больших — квадрату модуля скорости и даже быстрее.

В записанных формулах коэффициенты k₁ и k₂ — это коэффициенты сопротивления, которые определяются экспериментально.

Конечно же учёт всех сил сопротивления на практике достаточно сложен, поэтому при решении задач нужно ВНИМАТЕЛЬНО прочесть условие и оценить, какой вид трения необходимо учесть, а каким в данных условиях можно пренебречь.