Силы трения. Силы сопротивления среды

На этом уроке мы свами рассмотрим оставшийся вид сил, с которыми имеют дело в механике, — это силы трения.

Для начала вспомним, что сила трения — это сила, возникающая при соприкосновении двух тел и препятствующая их относительному перемещению.

Принято различать два типа сил трения — это силы сухого трения, которые возникают при взаимодействии соприкасающихся твёрдых тел друг с другом. И силы вязкого трения (или силы сопротивления среды), возникающие при движении твёрдых тел в жидкостях или газах.

В свою очередь, силы сухого трения можно разделить на три вида: это силы трения покоя, силы трения скольжения и силы трения качения.

Сила трения покоя — это сила, возникающая между двумя неподвижными соприкасающимися телами и препятствующая возникновению их относительного движения. Именно благодаря этой силе предметы нашего интерьера остаются на месте, а не перемещаются по всей комнате.

Чтобы они пришли в движение, нам придётся приложить некоторую силу. И чем больше будет масса перемещаемого предмета, тем с большей силой придётся на него действовать, чтобы преодолеть силу трения покоя. Но как только действующая сила хотя бы немного превысит некоторое определённое значение силы трения покоя, тело начнёт скользить.

Наибольшее значение силы трения, при котором скольжение ещё не наступает, называется максимальной силой трения покоя.

Для определения максимальной силы трения покоя существует один достаточно простой, но недостаточно точный закон. Установим его. Пусть у нас есть брусок с прикреплённым к нему динамометром. На брусок будут действовать сила тяжести, сила нормальной реакции опоры и сила трения покоя. Теперь потянем за динамометр и отметим силу, при которой брусок пришёл в движение. Это значение будет равно максимальной силе трения покоя.

Немного видоизменим опыт, положив на брусок ещё один точно такой же. Очевидно, что сила давления возросла в два раза, так как увеличилось значение силы тяжести. А что с силой трения покоя?  Как видим, её значение тоже увеличилось в два раза. Нетрудно догадаться, что, поместив на систему ещё один такой же брусок, значение максимальной силы трения покоя увеличится в три раза по сравнению с первоначальным.

Таким образом, максимальное значение силы трения покоя прямо пропорционально силе, с которой тела прижимаются друг к другу.

Впервые эта взаимосвязь была установлена в 1508 году Леонардо да Винчи. Затем в 1699 году Гийомом Амонтоном. А в 1785 году она была подтверждена Шарлем Кулоном. Поэтому этот закон часто называют законом Кулона — Амонтона.

Коэффициент пропорциональности, входящий в формулу, называется коэффициентом трения покоя. Его значение определяется экспериментально.

Сила трения покоя играет принципиальную роль в движении машин. Так, например, шины ведущих колес автомобиля как бы отталкиваются от дороги, и при отсутствии пробуксовки толкающая автомобиль сила — это сила трения покоя. А противоположно направленная ей сила — это сила, действующая со стороны колёс на дорогу.

Итак, как мы уже выяснили, при превышении максимальной силы трения покоя брусок, на который действует постоянная сила, приходит в движение: начинает скользить. И если скорость движения бруска постоянна, то силу, вызывающую движение, должна компенсировать сила взаимодействия бруска с опорой. При изучении физики в седьмом классе вы узнали, что эта сила называется силой трения скольжения.

При небольших относительных скоростях сила трения скольжения мало отличается от максимальной силы трения покоя. Поэтому при решении большинства задач мы будем считать их равными и находить на основании закона Кулона — Амонтона.

Коэффициент пропорциональности, входящий в формулу, мы будем называть коэффициентом трения скольжения. Его значение, как и в случае с коэффициентом трения покоя, устанавливают экспериментально. Дело в том, что он зависит от свойств соприкасающихся поверхностей, материалов, из которых они изготовлены, шероховатостей, наличия примесей и загрязнений.

Однако коэффициент трения скольжения не зависит от относительного положения тел. Например, коэффициент трения дерева по стали точно такой же, как и стали по дереву. Также он не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

Обратим ваше внимание ещё и на то, что самой главной особенностью силы трения скольжения является то, что она всегда направлена противоположно относительной скорости соприкасающихся тел.

Трение играет очень важную роль как в технике, так и в повседневной жизни. Мы уже упоминали о том, что при отсутствии трения любой предмет в нашей комнате при малейшем воздействии пришёл бы в движение. А автомобиль не смог бы ни начать движение, ни остановиться. Но в то же время сила трения приводит к нагреванию и механическому износу подвижных деталей различных механизмов. В таких случаях силу трения стремятся уменьшить. Для этого трущиеся поверхности хорошо шлифуют, добавляют различные смазки или заменяют силу трения скольжения на силу трения качения.

Сила трения качения — это сила сопротивления движению, возникающая, когда одно тело катится по поверхности другого.

Как показывают опыты, при замене скольжения качением сила трения резко уменьшается. Поэтому не случайно одним из величайших достижений в истории человечества считается изобретение колеса. Когда точно это произошло, никто не знает. Но самым ранним «колесом» считается находка в жудеце Яссы в Румынии — её относят к последней четверти V тысячелетия до нашей эры.

Мы с вами рассмотрели основные виды сухого трения. В отличие от них силы вязкого трения (или силы сопротивления среды) возникают только при движении тела и среды друг относительно друг друга. Следовательно, в жидкостях и газах сила трения покоя равна нулю. Это приводит к тому, что тяжёлую плавающую лодку достаточно легко сдвинуть с места усилием рук, в то время как сдвинуть с места поезд мы просто не в состоянии.

Изобразим примерный характер зависимости модуля силы сопротивления от модуля относительной скорости на графике. Итак, мы уже знаем, что если относительная скорость равна нулю, то сила сопротивления отсутствует. При увеличении скорости сила сопротивления начинает медленно расти. И при малых скоростях движения её считают прямо пропорциональной скорости движения тела относительно среды. Дальнейшее увеличение относительной скорости приводит к тому, что сила сопротивления увеличивается пропорционально квадрату скорости.

Коэффициенты, входящие в формулы, называются коэффициентами сопротивления. Они зависят: от свойств среды (так, для данного тела при одной и той же скорости сила сопротивления в воздухе намного меньше, чем в воде, а в воде — меньше, чем, например, в меду).

От размеров тела (для тел одинаковой геометрической формы силы сопротивления прямо пропорциональны площади их поперечного сечения).

А также от формы тела (так, обтекаемая форма тела у птиц, рыб и насекомых сводит к минимуму силу сопротивления воздуха или воды).

В завершение урока мы рассмотрим одну классическую задачу на движение тела по наклонной плоскости. Итак, пусть тело массой 5 кг перемещается вверх по наклонной плоскости с углом наклона 30^о и коэффициентом трения 0,5. Определите ускорение, с которым движется тело, если к нему параллельно основанию плоскости приложена сила 100 Н.