Силы трения. Коэффициент трения

В данной теме разговор пойдёт о силе трения, коэффициенте трения, а также вспомним, что называют силами сопротивления.

Известно, что взаимодействие различных тел может либо вызвать движение конкретного тела, либо наоборот препятствовать этому движению. Например, если подуть в сторону листа, лежащего на столе, то воздух начнёт двигаться, который приведет в движение лист.

А если поднять этот лист на какую-либо высоту и затем отпустить его, то он начнет двигаться под действием силы тяжести, а воздух уже будет препятствовать этому движению.

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 твердых тел друг с другом. А также силы вязкого трения, проявляющиеся при движении тела в жидкости или газе.

Разберём каждую из этих сил в отдельности. Начнем с силы трения покоя. И так вспомним, что сила трения покоя — это сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга.

Возникает она из-за того, что на поверхности любого твердого тела находится достаточное количество разнообразных выступов и впадин. Многочисленные неровности соприкасающихся поверхностей цепляются друг за друга, деформируются и препятствуют относительному перемещению тел. Кроме того, расстояние между молекулами, расположенными на выступах соприкасающихся поверхностей, мало, и поэтому возможно электромагнитное взаимодействие молекул между собой.

Как можно уменьшить силу трения покоя?

Правильно, отшлифовать поверхность соприкасающихся тел. Но здесь следует обратить внимание на тот факт, что бесконечно это делать не возможно, так как по мере сглаживания неровностей в значительной мере увеличивается число межмолекулярных взаимодействий, вследствие чего возрастает сила трения покоя.

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

где 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 используют формулу

Записанную формулу часто называют законом Кулона-Амотнона.

Возникает логичный вопрос: всегда ли сила трения покоя препятствует движению? Нет, не всегда. Во многих случаях сила трения покоя наоборот способствует движению. Очевидно, что без существования сил трения, наш мир был бы совсем иным. Ведь люди даже не смогли бы ходить: при нулевом трении, человек был бы не в состоянии оттолкнуться от поверхности. Это легко подтверждается бытовым опытом: если находится на очень скользком льду, то сделать шаг крайне сложно.

То же самое можно сказать и о движении автомобиля. Ведущее колесо автомобиля, если не пробуксовывает, действует на опору против направления движения с силой F_тр0. По третьему закону Ньютона со стороны опоры на него действует сила трения покоя F_тр0^', которая и вызывает движение автомобиля.

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

Рассмотрим равномерное движение бруска по горизонтальной поверхности доски, то есть его скольжение по опоре.

Действуем с определенно горизонтальной силой на динамометр, а он передает 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. При изучении физики в 7 классе было установлено, что эта сила называется силой трения скольжения. Она возникает из-за электромагнитного взаимодействия молекул на неровностях соприкасающихся поверхностей, зацепления неровностей и их пластичной деформации при относительном движении тел. Из эксперимента следует, что сила трения скольжения, действующая на тело, направлена противоположно направлению его движения.

Также многочисленные опыты показывают, что модуль силы трения скольжения прямо пропорционален модулю силы нормального давления.

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.

где m — это коэффициент трения скольжения. Коэффициент трения скольжения зависит от качества обработки соприкасающихся поверхностей и от свойств обоих веществ соприкасающихся поверхностей.

Однако опыт показывает, что коэффициент трения не зависит от относительного положения тел. Например, коэффициент трения стекла по стали такой же, как и стали при скольжении по стеклу.

Также коэффициент трения не зависит от площади соприкосновения тел.

Известно, что сдвинуть тело с места труднее, чем перемещать его с постоянной скоростью. Многочисленные эксперименты показывают, что действительно при движении с малыми скоростями величина силы трения скольжения немного меньше величины максимальной силы трения покоя и практически не зависит от скорости тела. 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 m и поэтому силу трения скольжения в большинстве задач считают постоянной и приближенно равной максимальной силе трения покоя.

Рассмотрим последний вид сухого трения — это трение качения. Одним из достижений в истории человечества считается изобретение несколько тысяч лет назад 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. Чтобы объяснить причины ее возникновения, рассмотрим качение тяжелого цилиндра по куску поролона, деформация которого при этом хорошо наблюдается. Цилиндр соприкасается с поролоном на очень малой площади, а значит, оказывает на него достаточно большое давление. Поролон при этом деформируется.

Вследствие этой деформации перед катящимся цилиндром возникает как бы горка. Для характеристики этого явления в механике и вводят силу трения качения.

Чем более пластична возникающая деформация, тем больше сила трения качения. Если цилиндр катится по такой поверхности, что ее деформация упруга и незначительна, то сила трения качения не велика. Она во много раз меньше силы трения скольжения, которая возникала бы только при поступательном движении этого же тела. В таких случаях при относительном движении тел выгоднее скольжение заменить качением, и поэтому используют колеса для транспорта и подшипники в различных механизмах. Однако если при движении происходит значительная деформация тела и опоры или только опоры, то сила трения качения велика, и поэтому, например, зимой целесообразно заменить колеса на полозья.

Когда говорится о движении твердого тела в жидкости или газе, то здесь также следует учитывать возникающую силу сопротивления движению, которую в этих случаях называют силой жидкого или вязкого трения.

В отличие от сухого трения для тела в жидкости или газе отсутствует сила трения покоя. 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.

Проведем опыт. Возьмем два одинаковых листа бумаги и отпустим в горизонтальном положении с одной высоты. Листы плавно и почти одновременно упадут на пол. Если теперь сделать из одного листа плотный и маленький комок, а другой лист оставим без изменений и повторить опыт, то можно увидеть, что первым упадет маленький комок. Как видно из такого простого опыта, сопротивление воздуха движению тел зависит от их формы и размеров.

Форму тела, при которой сила вязкого трения мала, называют обтекаемой и ее стараются придать телам, движущимся в жидкости или газе.

Установлено, что сила вязкого трения зависит от скорости движения тела. При малых скоростях ее модуль прямо пропорционален скорости движения тела относительно среды.

При больших скоростях движения модуль силы сопротивления пропорционален квадрату скорости. Это объясняется тем, что при большой скорости тела возникают сложные движения слоев среды, и поэтому появляется добавочное сопротивление.

В записанных формулах коэффициенты k₁ и k₂ — это коэффициенты сопротивления, которые определяются экспериментально и зависящие от формы, размеров тела, состояния его поверхности и свойств среды.

Конечно же учет 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.

Основные выводы:

Рассмотрели силы сопротивления. Повторили основные виды сил трения и условия их возникновения.