Сила трения

Вспомните, как вы играли с машинками в детстве. Когда вы толкаете машинку, она катится по полу, но через некоторое время останавливается. Если машинка едет по ковру, она остановится быстрее. Почему так происходит? Ведь после толчка на машинку больше не действует сила, которая её двигала. Если бы не было других сил, машинка продолжала бы ехать равномерно и прямолинейно. Но что-то её останавливает.

Это «что-то» — сила трения. Она возникает, когда поверхности двух тел соприкасаются, и мешает их движению друг относительно друга. Например, колёса машинки трутся о пол, и это трение замедляет её движение.

Силы трения бывают разными. Но их можно разделить на две большие группы:

Сухое трение — возникает, когда твёрдые тела соприкасаются друг с другом. Оно бывает трёх видов:

o Трение покоя — когда тело не двигается.

o Трение скольжения — когда тело скользит по поверхности.

o Трение качения — когда тело катится (например, колесо).

Вязкое трение — возникает, когда тело движется в жидкости или газе (например, лодка в воде или самолёт в воздухе).

А теперь представьте, что вы пытаетесь сдвинуть тяжёлый ящик. Вы прикладываете силу, параллельную полу, но ящик не двигается. Почему? Потому что на ящик действует сила трения покоя. Она уравновешивает вашу силу и не даёт ящику сдвинуться с места.

Таким образом, сила трения покоя — это сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения.

При увеличении внешней силы растёт и сила трения покоя, пока ящик не сдвинется с места. В этот момент сила трения покоя достигает своего максимального значения.

Сила трения покоя помогает нам в жизни. Например, благодаря ей:

· бантик на ленте не развязывается;

· нитка держится в иголке, когда мы шьём;

· липучки на одежде не расстёгиваются.

Теперь проведём такой эксперимент. Возьмём деревянный брусок и будем тянуть его по столу с помощью динамометра (прибора для измерения силы). Мы прикладываем к динамометру горизонтальную силу, которая затем передаётся бруску, и прибор отображает величину приложенной силы. Если брусок движется равномерно, значит, сила, вызывающая его перемещение, компенсируется силой взаимодействия между бруском и поверхностью стола. Эта сила называется силой трения скольжения.

Эксперимент показывает, что сила трения всегда действует против направления движения объекта.

Теперь давайте увеличим давление бруска на поверхность стола, добавив гирю Обратите внимание, что сила трения тоже увеличивается. Многочисленные эксперименты подтверждают, что увеличение силы давления в несколько раз приводит к такому же увеличению показаний динамометра. Это означает, что величина силы трения скольжения прямо пропорциональна силе давления тела на опору.

Силой, создающей давление в нашем опыте, является сила тяжести. Поскольку брусок не двигается вертикально, сила тяжести уравновешена силой реакции опоры. Следовательно, эти две силы равны по величине.

Силу реакции опоры, направленную перпендикулярно поверхности скольжения, обозначают буквой . Её ещё называют силой нормальной реакции опоры (от латинского normalis — перпендикулярный). Таким образом, мы можем записать следующее соотношение:

где μ — это коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения. Он не зависит от величины прижимающей силы и определяется материалами контактирующих поверхностей, качеством их обработки и состоянием.

Однако, опыт показывает, что коэффициент трения не изменяется в зависимости от взаимного расположения тел. Например, коэффициент трения стали о лёд будет таким же, как и у льда, скользящего по стали.

Кроме того, коэффициент трения не зависит от площади соприкосновения тел.

Интересно, что впервые на эту особенность силы трения обратил внимание Леонардо да Винчи. Ещё в 1519 году он утверждал, что сила трения, возникающая при взаимодействии двух тел, пропорциональна нагрузке (прижимной силе), направлена против движения и не зависит от площади контакта. Закон трения был заново открыт спустя почти 180 лет Гийомом Амонтоном. И окончательно сформулирован Шарлем Кулоном в 1781 году. Поэтому этот закон называют законом Амонтона — Кулона.

Справедливости ради стоит упомянуть, что коэффициент трения скольжения немного меняется в зависимости от скорости перемещения тела относительно опоры. Однако в большинстве случаев этот фактор не учитывается при решении задач.

Обратите внимание на следующий момент. Из собственного опыта вам известно, что сдвинуть предмет с места сложнее, чем поддерживать его равномерное движение. Это связано с тем, что коэффициент трения скольжения обычно чуть ниже коэффициента трения покоя. Разница между ними незначительна, поэтому в задачах принято считать оба коэффициента одинаковыми и обозначать одной и той же буквой. Соответственно, силу трения скольжения в большинстве задач рассматривают как постоянную и приблизительно равную максимальной силе трения покоя.

И рассмотрим последний вид сухого трения — это трение качения. Она возникает, когда одно тело катится по поверхности другого, например, колесо автомобиля или шарик. Это трение намного меньше, чем трение скольжения. Именно поэтому колесо — одно из величайших изобретений человеческой цивилизации! Колёса позволяют двигать тяжёлые грузы с меньшими усилиями. Опыт показывает, что при замене скольжения качением сила трения уменьшается в десятки, а иногда и в сотни раз.

Для примера возьмём книгу, слегка приподняв её край, и положим на неё ручку или круглый карандаш сначала вдоль, а затем поперёк книги. В первом случае карандаш останется неподвижным и не соскользнёт вниз. Сила трения покоя предотвращает начало движения. Во втором случае карандаш начнёт катиться. Такой вот простой опыт подтверждает, что при одинаковой нагрузке сила трения качения всегда меньше силы трения скольжения.

Почему возникает трение? Причины возникновения силы трения можно разделить на две основные категории: шероховатость поверхностей соприкасающихся тел и межмолекулярное притяжение этих тел.

Первая причина связана с тем, что даже визуально гладкие поверхности обладают микроскопическими неровностями — бугорками и царапинами. Когда одно тело скользит по другому, эти неровности вступают во взаимодействие, создавая силу трения, которая и противодействует движению. Чем более полированные поверхности, тем меньше таких препятствий, но они всё равно существуют.

Вторая причина заключается в том, что при тесном контакте между поверхностями некоторых тел молекулы могут располагаться настолько близко друг к другу, что начинают притягиваться. Это явление особенно заметно, когда поверхности тщательно отполированы. Вспомним опыт с двумя идеально отполированными цилиндрами, которые были подвешены друг к другу.

Как уменьшить трение? Существует два основных способа снижения трения. Первый, наиболее очевидный, — замена трения скольжения на трение качения. Мы уже знаем, что сила трения качения значительно меньше силы трения скольжения.

Второй способ — использование смазки для трущихся поверхностей. Смазочные материалы, такие как масло, заполняют все неровности поверхностей и образуют тонкий слой между ними, предотвращая прямой контакт. В результате вместо сухого трения возникает вязкое трение слоёв жидкости.

Силы вязкого трения в жидкостях и газах появляются только тогда, когда тело и среда движутся относительно друг друга. Это означает, что сила трения покоя в жидкостях и газах равна нулю. Даже самое маленькое усилие способно привести тело в движение, если этому не мешают другие силы. Следовательно, сила вязкого трения не мешает началу движения, и именно поэтому в механизмах используются различные виды смазки для деталей, двигающихся относительно друг друга.

От чего зависит сила вязкого трения? Выяснить это можно с помощью экспериментов, измеряя силу воздействия потока газа или жидкости на тело с использованием динамометра. Эти опыты позволяют выявить следующие факторы, влияющие на силу сопротивления:

Свойства среды: для одного и того же тела при одинаковых условиях сила сопротивления в воздухе значительно меньше, чем в воде. А в воде — меньше, чем в сахарном сиропе, и так далее.

Размеры тела: сила сопротивления прямо пропорциональна площади поперечного сечения тела.

Форма тела. Например, обтекаемая форма тела у птиц и рыб минимизирует силу сопротивления воздуха или воды, облегчая их передвижение. По этой причине обтекаемые формы используют в конструкциях самолётов, речных и морских судов, а также подводных лодок.

Скорость движения: сила сопротивления увеличивается с ростом скорости движения тела относительно окружающей среды. При небольших скоростях она растёт прямо пропорционально скорости А при высоких — пропорционально квадрату скорости или даже быстрее.

Безусловно, учитывать все силы сопротивления на практике бывает довольно сложно. Поэтому при решении задач важно внимательно прочитать условие и определить, какой вид трения следует учесть, а какими факторами в данной ситуации можно пренебречь.