Сила трения и её разновидности

Вы помните, что по первому закону Ньютона тело движется равномерно, если на него не действуют силы или их действие скомпенсировано. Но почему же санки на снегу, шайба на льду или лодка на воде постепенно останавливаются, как только мы перестаём их толкать? Какие силы мешают им двигаться дальше?.. Верно, их тормозят силы трения.

Давайте вспомним, что сила трения — это сила, появляющаяся при контакте двух тел и препятствующая их относительному перемещению.

На практике все силы, мешающие движению, делят на два типа. Первый — силы сухого трения. Они возникают при взаимодействии соприкасающихся твёрдых тел. Второй — это силы сопротивления среды, которые действуют при движении тел в жидкости или газе.

Принято выделять два основных типа: силы сухого трения, возникающие при взаимодействии соприкасающихся твёрдых тел, и силы вязкого трения (или силы сопротивления среды), появляющиеся при движении тел в жидкостях или газах.

В свою очередь, силы сухого трения делятся на три вида: трение покоя, трение скольжения и трение качения.

Сила трения покоя — это сила, действующая между двумя неподвижными соприкасающимися телами и мешающая началу их относительного движения. Именно благодаря ей предметы в комнате остаются на своих местах, а не разъезжаются повсюду.

Для её определения существует простой, хотя и не абсолютно точный закон. Проведём опыт: возьмём брусок с прикреплённым динамометром. Брусок находится в покое под действием двух сил — силы тяжести и сила нормальной реакции опоры. Слегка потянем за динамометр в горизонтальном направлении. Брусок не движется, хотя показания динамометра отличны от нуля. Значит, на брусок действует ещё одна сила, которая уравновешивает силу, с которой мы его тянем — силу упругости. Вот эта сила и есть сила трения покоя.

Постепенно будем увеличивать приложенную силу, следя за тем, чтобы брусок оставался неподвижным. Сила трения покоя по-прежнему будет равна по величине силы упругости. То есть она растёт вместе с ней.

Когда приложенная к бруску сила достигнет определённого порога, он всё же начнёт скользить. Это показывает, что сила трения покоя способна изменяться от нуля до некоторого максимального значения.

Так вот, наибольшее значение силы трения, при котором скольжение ещё не начинается, называют максимальной силой трения покоя.

Теперь усложним опыт, положив сверху груз, масса которого, равна массе бруска. Сила давления удвоится, так как увеличилась сила тяжести. А сила трения покоя? Она тоже возрастёт вдвое. Добавив ещё один груз, мы увидим, что максимальная сила трения покоя увеличится втрое.

Таким образом, модуль максимальной силы трения покоя прямо пропорционален модулю силы реакции опоры: 

Здесь μ₀ — это коэффициент трения покоя, который определяется опытным путём и зависит от материалов и состояния поверхностей.

Итак, сила трения покоя, как мы выяснили, препятствует движению соприкасающихся тел. Но иногда сила трения покоя не мешает движению, а наоборот — помогает ему начаться. Например, когда человек идёт трение между подошвой и землёй не даёт ноге скользить назад. При этом эта же сила сообщает ноге ускорение, направленное вперёд. Такое же трение действует и между ведущими колёсами автомобиля и дорогой.

Как мы выяснили, когда внешняя сила превышает максимальную силу трения покоя, тело начинает двигаться — скользить. При этом возникает новая сила трения — сила трения скольжения.

Продолжим наши опыты с бруском. Итак, теперь мы будем равномерно перемещать брусок по поверхности стола и фиксировать показания динамометра. Как вы уже догадались, в этом случае динамометр будет фиксировать значение силы трения скольжения.

Из опыта видно, что сила трения скольжения, действующая на тело, направлена в сторону, противоположную его движению. В этом состоит её важнейшая особенность.

Если положить на брусок гирю, он начнёт сильнее давить на стол — и сила трения тоже вырастет. Опытов на эту тему проводили много, и все они показывают одно и то же: увеличиваем давление в два или три раза — динамометр показывает увеличение силы трения примерно во столько же раз. Получается, что модуль силы трения скольжения растёт прямо пропорционально силе давления тела на опору:

Говорят, что впервые эту зависимость обнаружил ещё Леонардо да Винчи. Однако, наиболее полные исследования были проведены французскими физиками Гийомом Амонтоном и Шарлем Кулоном. Поэтому закон часто называют законом Амонтона — Кулона.

В записанной формуле μ — это коэффициент трения скольжения. Он определяется экспериментально и зависит от многих факторов. В частности, от материалов поверхностей, их шероховатости и чистоты.

Однако, как показали опыты всё тех же двух французов, коэффициент трения скольжения не зависит от взаимного расположения тел (например, для дерева по стали он такой же, как для стали по дереву) и от площади соприкосновения тел.

Обратите внимание ещё на одну вещь. Мы все знаем по собственному опыту: сдвинуть предмет с места всегда труднее, чем потом просто тянуть его с постоянной скоростью. Это происходит потому, что коэффициент трения скольжения обычно чуть-чуть меньше коэффициента трения покоя. Разница небольшая. Поэтому в задачах их часто просто приравнивают и обозначают одной и той же буквой. Из‑за этого силу трения скольжения в большинстве случаев считают постоянной и примерно равной максимальной силе трения покоя.

Трение играет огромную роль в технике и быту. Без него предметы в комнате скользили бы от малейшего толчка, а автомобиль не мог бы ни тронуться, ни остановиться. Но трение также вызывает нагревание и износ деталей механизмов. В таких случаях его стремятся уменьшить, например, заменить скольжение качением. При этом, возникающая при качении одного тела по поверхности другого сила сопротивления будет называться силой трения качения.

Проведём опыт. Возьмём две абсолютно одинаковые тележки. Одну тележку перевернём. Теперь с помощью динамометров приведём тележки в движение. Сразу заметно, что при качении сопротивление гораздо меньше, хотя и поверхность, и сила давления остаются теми же. Получается, что при замене скольжения качением трение резко уменьшается. Не случайно изобретение колеса — одно из величайших изобретений в истории человечества.

Второй способ уменьшить силу трения скольжения — это использовать различного рода смазки для трущихся поверхностей. Смазка, например обычное масло, заполняет все неровности на соприкасающихся поверхностях и образует между ними тонкий слой. Из‑за этого сами поверхности уже не трутся друг о друга напрямую. Вместо сухого трения начинает работать трение между слоями жидкости — так называемое вязкое трение. Оно в восемь — десять раз слабее трения скольжения. Возникающая при этом сила и называется силой вязкого трения, или силой сопротивления.

Важной особенностью сил вязкого трения является то, что они возникают только при движении тела и среды друг относительно друга.

В жидкостях и газах сила трения покоя равна нулю, поэтому даже совсем небольшое усилие уже способно сдвинуть тело с места — если, конечно, ему не мешают другие силы. Из‑за этого вязкое трение не препятствует самому началу движения, и именно поэтому в механизмах и используют разные смазки.

На практике учитывать все виды сопротивления бывает непросто, поэтому в задачах важно внимательно читать условие и понимать, какое трение нужно учитывать, а каким можно пренебречь.

Трение — незримый спутник нашего мира: оно и помогает, и мешает, оно звучит в шуршании шин по асфальту и сопровождает полёт стрелы, оно обеспечивает работу часов и делает возможным скольжение коньков. Понимание его законов позволяет нам покорять стихии, создавать машины и просто уверенно идти по земле.