Трения возникает при непосредственном соприкосновении тел, препятствуя их относительному движению, и всегда направлена вдоль поверхности соприкосновения.
Силы трения имеют электромагнитную природу, как и силы упругости. Трение между поверхностями двух твердых тел называют сухим трением. Трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой называют вязким трением.
Различают трение покоя , трение скольжения и трения качения .
Трение покоя - возникает не только при скольжении одной поверхности по другой, но и при попытках вызвать это скольжение. Трение покоя удерживает от соскальзывания находящиеся на движущейся ленте транспортера грузы, удерживает вбитые в доску гвозди и т. д.
Силой трения покоя называют силу, препятствующую возникновению движения одного тела относительно другого, всегда направленную против силы, приложенной извне параллельно поверхности соприкосновения, стремящейся сдвинуть предмет с места.
Чем больше сила, стремящаяся сдвинуть тело с места, тем больше сила трения покоя. Однако, для любых двух соприкасающихся тел она имеет некоторое максимальное значение (F тр.п.) max , больше которого она быть не может, и которая не зависит от площади соприкосновения поверхностей:
(F тр.п.) max = μ п N,
где μ п - коэффициент трения покоя, N - сила реакции опоры.
Максимальная сила трения покоя зависит от материалов тел и от качества обработки соприкасающихся поверхностей.
Трение скольжения . приложим к телу силу, превышающую максимальную силу трения покоя - тело сдвинется с места и начнет двигаться. Трение покоя сменится трением скольжения.
Сила трения скольжения также пропорциональна силе нормального давления и силе реакции опоры:
F тр = μN.
Трение качения . Если тело не скользит по поверхности другого тела, а, подобно колесу, катится, то трение, возникающее в месте их контакта, называют трением качения. Когда колесо катится по полотну дороги, оно все время вдавливается в него, поэтому перед ним постоянно оказывается бугорок, которых необходимо преодолеть. Этим и обусловлено трение качения. Трение качения тем меньше, чем тверже дорога.
Сила трения качения также пропорциональна силе реакции опоры:
F тр.кач = μ кач N,
где μ кач - коэффициент трения качения.
Поскольку μ кач << μ , при одинаковых нагрузках сила трения качения намного меньше силы трения скольжения.
Причинами возникновения силы трения являются шероховатость поверхностей соприкасающихся тел и межмолекулярное притяжение в местах контакта трущихся тел. В первом случае поверхности, кажущиеся гладкими, на самом деле имеют микроскопические неровности, которые при скольжении зацепляются друг за друга и мешают движению. Во втором случае притяжение проявляется даже при хорошо отполированных поверхностях.
На движущееся в жидкости или газе твердое тело действует сила сопротивления среды , направленная против скорости тела относительно среды и тормозящая движение.
Сила сопротивления среды появляется только во время движения тела в этой среде. Здесь нет ничего подобного силе трения покоя. Наоборот, предметы в воде сдвигать намного легче, чем на твердой поверхности.
Цель : Закрепить полученные знания о трении и о видах трения.
Ход работы:
1.
Изучить теоретическую часть
2.
Заполнить таблицу 1.
3.
Решить задачу по варианту из таблицы 2.
4.
Ответить на контрольные вопросы.
Таблица 1
Таблица 2
|
Конькобежец проезжает по гладкой горизонтальной поверхности льда по инерции 80 м. Определить силу трения и начальную скорость, если масса конькобежца 60 кг, а коэффициент трения 0,015 |
|
|
Тело массой 4,9 кг лежит на горизонтальной плоскости. Какую силу надо приложить к телу в горизонтальном направлении, чтобы сообщить ему ускорение 0,5 м/с 2 при коэффициенте трения 0,1? |
|
|
На горизонтальном столе лежит деревянный брусок массой 500 г, который приводится в движение грузом массой 300 г, подвешенным на вертикальном конце нити, перекинутой через блок, закрепленный на конце стола. Коэффициент трения при движении бруска равен 0,2. С каким ускорением будет двигаться брусок? |
Сила трения - это сила, возникающая между поверхностями соприкасающихся тел. Если между поверхностями отсутствует смазка, то трение называется сухим. Сила сухого трения прямо пропорциональна силе, прижимающей поверхности друг к другу и направлена в сторону, противоположную возможному движению. Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом трения. Прижимающая сила перпендикулярна поверхности. Она называется нормальной реакцией опоры.
Законы трения в жидкостях и газах отличаются от законов сухого трения. Трение в жидкости и газе зависит от скорости движения: при малых скоростях оно пропорциональной квадрату, а при больших - кубу скорости.
Формулы для решения:
Где "k" - коэффициент трения, "N" - нормальная реакция опоры.
Второй закон Ньютона и уравнения движения в векторной форме. F = ma
По третьему закону Ньютона N = - mg
выражение для скорости
Уравнения движения для равноускоренного кинематического движения
; 0 - V = a t где 0 – конечная скорость V – начальная скорость
Алгоритм решения типовой задачи:
1. Кратко записываем условие задачи.
2. Изображаем условие графически в произвольной системе отсчета, указав действующие на тело (точку) силы, в том числе, нормальную реакцию опоры и силу трения, скорость и ускорение тела.
3. Корректируем и обозначаем на рисунке систему отсчета, вводя начало отсчета времени и уточняя оси координат для сил и ускорения. Лучше направить одну из осей вдоль нормальной реакции опоры, а отсчет времени начать в момент нахождения тела (точки) в нуле координат.
4. Записываем в векторной форме второй закон Ньютона и уравнения движения. Уравнения движения и скорости - это зависимости перемещения (пути) и скорости от времени.
5. Записываем в эти же уравнения в скалярной форме: в проекциях на оси координат. Записываем выражение для силы трения.
6. Решаем уравнения в общем виде.
7. Подставляем величины в общее решение, вычисляем.
8. Записываем ответ.
Теоретическая часть
Трением называется сопротивление соприкасающихся тел движению друг относительно друга. Трением сопровождается каждое механическое движение, и это обстоятельство имеет существенное следствие в современном техническом прогрессе.
Сила трения есть сила сопротивления движению соприкасающихся тел друг относительно друга.Трение объясняется двумя причинами: неровностями трущихся поверхностей тел и молекулярным взаимодействием между ними. Если выйти за пределы механики, то следует сказать, что силы трения имеют электромагнитное происхождение, как и силы упругости. Каждая из указанных выше двух причин трения в разных случаях проявляет себя в разной мере. Например, если соприкасающиеся поверхности твердых трущихся тел имеют значительные неровности, то основная слагаемая в возникающей здесь силе трения будет обусловлена именно данным обстоятельством, т.е. неровностью, шероховатостью поверхностей трущихся тел.Тела, перемещающиеся с трением друг относительно друга, должны соприкасаться поверхностями или двигаться одно в среде другого. Движения тел друг относительно друга может и не возникнуть из-за наличия трения, если движущая сила меньше максимальной силы трения покоя. Если соприкасающиеся поверхности твердых трущихся тел отлично отшлифованы и гладки, то основная слагаемая возникающей при этом силы трения будет определяться молекулярным сцеплением между трущимися поверхностями тел.
Рассмотрим более детально процесс возникновения сил трения скольжения и покоя на стыке двух соприкасающихся тел. Если посмотреть на поверхности тел под микроскопом, то будут видны микронеровности, которые мы изобразим в увеличенном виде (рис. 1, а).Рассмотрим взаимодействие соприкасающихся тел на примере одной пары неровностей (гребень и впадина) (рис. 3, б). В случае, когда сила, пытающаяся вызвать движение, отсутствует, характер взаимодействия на обоих склонах микронеровностей аналогичный. При таком характере взаимодействия все горизонтальные составляющие силы взаимодействия уравновешивают друг друга, а все вертикальные про суммируются и составляют силу N (реакция опоры) (рис. 2, а).
Иная картина взаимодействия тел получается, когда на одно из тел начинает действовать сила. В этом случае точки контакта будут преимущественно на левых по рисунку «склонах». Первое тело будет давить на второе. Интенсивность этого давления характеризуется силой R". Второе тело в соответствии с третьим законом Ньютона будет действовать на первое тело. Интенсивность этого действия характеризуется силой R (реакция опоры). Силу R
можно разложить на составляющие: силу N, направленную перпендикулярно поверхности соприкосновения тел, и силу Fсц, направленную против действия силы F (рис. 2, б).
После рассмотрения взаимодействия тел следует обратить внимание на два момента.
1) При взаимодействии двух тел в соответствии с третьим законом Ньютона возникают две силы R и R"; силу R для удобства ее учета при решении задач мы раскладываем на составляющие N и Fсц (Fтр в случае движения).
2) Силы N и F Tp имеют одну и ту же природу (электромагнитное взаимодействие); иначе и быть не могло, так как это составляющие одной и той же силы R.
Весьма важное значение в современной технике для снижения вредного влияния сил трения имеет замена трения скольжения трением качения. Сила трения качения определяется как сила, необходимая для равномерного прямолинейного качения тела по горизонтальной плоскости. Опытом установлено, что сила трения качения вычисляется по формуле:
где F-сила трения качения; к-коэффициент трения качения; Р-сила давления катящегося тела на опору и R-радиус катящегося тела.
Из практики очевидно, из формулы ясно, что чем больше радиус катящегося тела, тем меньшее препятствие оказывают ему неровности поверхности опоры.
Заметим, что коэффициент трения качения, в отличие от коэффициента трения скольжения, именованная величина и выражается в единицах длины - метрах.
Заменяется трение скольжения трением качения, в необходимых и возможных случаях, заменой подшипников скольжения на подшипники качения.
Существует внешнее и внутреннее трение (иначе называемое вязкостью). Внешним называют такой вид трения, при котором в местах соприкосновения твердых тел возникают силы, затрудняющие взаимное перемещение тел и направленные по касательной к их поверхностям.
Внутренним трением (вязкостью) называется вид трения, состоящий в том, что при взаимном перемещении. Слоев жидкости или газа между ними возникают касательные силы, препятствующие такому перемещению.
Внешнее трение подразделяют на трение покоя (статическое трение) и кинематическое трение. Трение покоя возникает между неподвижными твердыми телами, когда какое-либо из них пытаются сдвинуть с места. Кинематическое трение существует между взаимно соприкасающимися движущимися твердыми телами. Кинематическое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения.
В жизни человека силы трения играют важную роль. В одних случаях он их использует, а в других борется с ними. Силы трения имеют электромагнитную природу.
Виды сил трения.
Силы трения имеют электромагнитную природу, т.е. в основе сил трения лежат электрические силы взаимодействия молекул. Они зависят от скорости движения тел относительно друг друга.
Существует 2 вида трения: сухое и жидкое.
1.Жидкое трение – это сила, возникающая при движении твёрдого тела в жидкости или газе или при движении одного слоя жидкости(газа) относительно другого и тормозящая это движение.
В жидкостях и газах сила трения покоя отсутствует.
При малых скоростях движения в жидкости (газе):
Fтр= k1v,
где k1– коэффициент сопротивления, зависящий от формы, размеров тела и от св-в среды. Определяется опытным путём.
При больших скоростях движения:
Fтр= k2v,
где k2– коэффициент сопротивления.
2.Сухое трение – это сила, возникающая при непосредственном соприкосновении тел, и всегда направлена вдоль поверхностей соприкосновения электромагнитных тел именно разрывом молекулярных связей.
Трение покоя.
Рассмотрим взаимодействие бруска с поверхностью стола.Поверхность, соприкасающихся тел не является абсолютно ровной.Наибольшая сила притяжения возникает между атомами веществ, находящимися на минимальном расстоянии друг от друга, то есть на микроскопических выступах. Суммарная сила притяжения атомов, соприкасающихся тел столь значительна, что даже под действием внешней силы, приложенной к бруску параллельно поверхности его соприкосновения со столом, брусок остаётся в покое. Это означает, что на брусок действует сила равная по модулю внешней силе, но противоположно направленная. Эта сила является силой трения покоя.Когда приложенная сила достигает максимального критического значения, достаточного для разрыва связей между выступами, брусок начинает скользить по столу. Максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения поверхности.По третьему закону Ньютона сила нормального давления равна по модулю силе реакции опоры N.
Максимальная сила трения покоя пропорциональна силе нормального давления:
где μ – коэффициент трения покоя.
Коэффициент трения покоя зависит от характера обработки поверхности и от сочетания материалов, из которых состоят соприкасающиеся тела. Качественная обработка гладких поверхностей контакта приводит к увеличению числа притягивающихся атомов и соответственно к увеличению коэффициента трения покоя.
Максимальное значение силы трения покоя пропорционально модулю силы F д давления, производимого телом на опору.
Определить значение коэффициента трения покоя можно следующим образом. Пусть тело (плоский брусок) лежит на наклонной плоскости АВ (рис. 3). На него действуют три силы: сила тяжести F, сила трения покоя Fп и сила реакции опоры N. Нормальная составляющая Fп силы тяжести представляет собой силу давления Fд, производимого телом на опору, т. е.
FН=Fд. Тангенциальная составляющая Fт силы тяжести представляет собой силу, стремящуюся сдвинуть тело вниз по наклонной плоскости.
При малых углах наклона a сила Fт уравновешивается силой трения покоя Fп и тело на наклонной плоскости покоится (сила N реакции опоры по третьему закону Ньютона равна по модулю и противоположна по направлению силе Fд, т. е. уравновешивает ее).
Будем увеличивать угол наклона a до тех пор, пока тело не начнет скользить вниз по наклонной плоскости. В этот момент
Fт=FпmaxИз рис. 3 видно, чтоFт=Fsin = mgsin; Fн=Fcos = mgcos.
получим
fн=sin/cos=tg.
Измерив угол, при котором начинается скольжение тела, можно по формуле вычислить значение коэффициента трения покоя fп.
Рис. 3. Трение покоя.
Трения скольжения
Трение скольжения возникает при относительном перемещении соприкасающихся тел.
Сила трения скольжения всегда направлена в сторону, противоположную относительной скорости соприкасающихся тел.
Когда одно тело начинает скользить по поверхности другого тела, связи между атомами (молекулами) первоначально неподвижных тел разрываются, трение уменьшается. При дальнейшем относительном движении тел постоянно образуются новые связи между атомами. При этом сила трения скольжения остаётся постоянной, несколько меньшей силы трения покоя. Как и максимальная сила трения покоя, сила трения скольжения пропорциональна силе нормального давления и, следовательно, силе реакции опоры:
,где - коэффициент трения скольжения (), зависящий от свойств соприкасающихся поверхностей.
Рис. 3. Трение скольжения
Контрольные вопросы
- Что такое внешнее и внутреннее трение?
- Какое трение называют трением покоя?
- что такое сухое и жидкое трение?
- Что такое максимальная сила трения покоя?
- Как определить значение коэффициента трения покоя?
Определение 1
Сила трения представляет силу, появляющуюся в момент соприкосновения двух тел и препятствующую их относительному движению.
Главная причина, провоцирующая трение, кроется в шероховатости трущихся поверхностей и молекулярном взаимодействии указанных поверхностей. Сила трения зависима от материала соприкасающихся поверхностей и от силы их взаимного прижатия.
Понятие силы трения
Исходя из простых моделей трения (на основании закона Кулона), сила трения будет считаться прямо пропорциональной степени нормальной реакции соприкасающихся и трущихся поверхностей. Если рассматривать в целом, то процессы силы трения невозможно описать только лишь простыми моделями классической механики, что объясняется сложностью реакций в зоне взаимодействия трущихся тел.
Силы трения, подобно силам упругости, обладают электромагнитной природой. Их возникновение становится возможным, благодаря взаимодействию между молекулами и атомами тел, которые соприкасаются.
Замечание 1
Силы трения отличны от сил упругости и гравитационных фактом зависимости не только от конфигурации тел (от их взаимного расположения), но и от относительных скоростей их взаимодействия.
Разновидности силы трения
При условии наличия относительного движения двух контактирующих между собой тел, возникающие в таком процессе силы трения подразделяются на такие виды:
- Трение скольжения (представляет силу, возникающую как следствие поступательного перемещения одного из взаимодействующих тел относительно второго и воздействующая на данное тело в направлении, которое будет противоположным направлению скольжения).
- Трение качения (представляет момент сил, способный возникать в условиях процесса качения одного из двух контактирующих с другим тел).
- Трение покоя (считается силой, возникающей между двумя взаимодействующими телами, при этом она становится серьезным препятствием для возникновения относительного движения. Такая сила преодолевается с целью приведения данных контактирующих тел в движение относительно друг друга. Такой вид трения появляется при микроперемещениях (к примеру, при деформации) контактирующих тел. При возрастании усилий начнется повышение и силы трения.
- Трение верчения (является моментом силы, возникающим между контактирующими телами в условиях вращения одного из них в отношении другого и направленным против вращения). Определяется формулой: $M=pN$, где $N$ - нормальное давление, $p$- коэффициент трения верчения, имеющий размерность длины.
Экспериментальным образом была установлена независимость силы трения от площади поверхности, вдоль которой наблюдается соприкосновение тел, и пропорциональность силе нормального давления, с которой одно тело будет действовать на второе.
Определение 2
Постоянная величина представляет коэффициент трения, при этом зависимый от природы и состояния трущихся поверхностей.
В определенных ситуациях трение оказывается полезным. Можно привести примеры с невозможностью хождения человека (при отсутствии трения) и движением автотранспорта. Наряду с тем, трение может оказывать и вредный эффект. Так, оно провоцирует износ соприкасающихся деталей механизмов, дополнительный расход топлива для транспортных средств. Средством противостояния этому служат различные смазки (воздушные или жидкостные подушки). Еще одним эффективным способом считается замена скольжения качением.
Основные расчетные формулы для определения силы трения
Расчетная формула силы трения при скольжении будет выглядеть так:
- $m$-коэффициент пропорциональности (трения скольжения),
- $Р$ – сила вертикального (нормального) давления.
Сила трения скольжения представляет одну из управляющих движением сил, а ее формулу записывают с применением силы реакции опоры. На основе действия третьего закона Ньютона, силы нормального давления, а также реакции опоры оказываются равными по величине и противоположными по направлению:
Перед определением силы трения, формула которой будет записываться таким образом: $F=mN$, определяется сила реакции.
Замечание 2
Коэффициент сопротивления при процессе скольжения вводят экспериментально для трущихся поверхностей, при этом он будет зависимым от материала и качества обработки.
Максимальная сила трения покоя определяется подобно силе трения скольжения. Это играет важное значение для решения задач по определению силы движущего сопротивления. Можно привести пример с книгой, передвигаемой прижатой к ней рукой. Так, скольжение этой книги будет осуществляться под воздействием силы сопротивления покоя между книгой и рукой. При этом величина сопротивления будет зависеть от показателя силы вертикального давления на книгу.
Интересным будет факт пропорциональности силы трения квадрату соответствующей скорости, а ее формула станет видоизменяться, в зависимости от скорости перемещения взаимодействующих тел. К такой силе можно отнести силу вязкого сопротивления в жидкости.
В зависимости от скорости перемещения, силу сопротивления будет определять скорость движения, форма перемещающегося тела или вязкость жидкости. Движение в масле и воде одного и того же тела сопровождает различное по величине сопротивление. Для незначительных скоростей оно выглядит так:
- $k$ – коэффициент пропорциональности, зависящий от линейных размеров тела и свойств среды,
- $v$ – скорость тела.
Сила трения (Fтр.) - это сила, возникающая при контакте поверхностей двух тел и препятствующая их относительному перемещению. Она появляется за счёт электромагнитных сил, возникающих атомами и молекулами в месте контакта этих двух объектов.
Чтобы остановить движущийся объект, сила должна действовать в противоположную по отношению к направлению движения сторону. Например, если толкнуть книгу через стол, то она начнёт движение. Сила, с которой вы воздействовали на книгу, будет перемещать её. Книга скользит, затем замедляется и останавливается из-за влияния силы трения.
Особенности сил трения
Трение, о котором говорилось выше, проявляющееся при движении объектов называют внешним или сухим. Но оно может существовать и между частями или слоями одного объекта (жидкого или газообразного), такой вид называют внутренним.
Главной особенностью назовём зависимость трения от скорости относительного движения тел.
Существуют и другие характерные особенности:
- возникновение при контакте двух движущихся тел поверхностями;
- её действие параллельно области соприкосновения;
- направлена противоположно вектору скорости тела;
- зависит от качества поверхностей (гладкие или шероховатые), взаимодействующих объектов;
- форма или размер объекта, движущегося в газе или жидкости, влияют на величину силы трения.
Виды трения
Выделяют несколько видов. Рассмотрим их различия. На книгу, скользящую по столу, действует трение скольжения.
Сила трения скольжения
Где N - сила реакции опоры.
Обратите внимание на некоторые ситуации:
Если человек едет на велосипеде, то трение, возникающее во время контакта колеса с дорогой - трение качения. Такой вид силы значительно меньше по величине силы трения скольжения.
Сила трения качения
Существенно меньшие значения величины такого вида силы используют люди, используя колесо, ролики и шариковые подшипники в различных движущихся частях устройств.
Шарль Огюстен Кулон в своей работе по теории трения предложил вычислять силу трения качения следующим образом:
,
μ - коэффициент трения.
Смазка, чаще всего в виде тонкого слоя жидкости, уменьшает трение.
Жидкости или газы - это особые среды, в которых тоже проявляется данный вид сил. В этих средах трение проявляется только во время перемещения объекта. Нельзя говорить о силе трения покоя в данных средах.
Сила трения в жидкостях и газах
Такой вид силы называют силой сопротивления среды. Она замедляет движение объекта. Более обтекаемая форма объекта влияет на величину силы сопротивления - она значительно уменьшается. Поэтому в судостроении используются обтекаемые формы корпусов кораблей или подводных лодок.
Сила сопротивления среды зависит от:
- геометрических размеров и формы объекта;
- вязкости жидкой или газообразной среды;
- состояния поверхности объекта;
- скорости объекта относительно той среды, в которой он находится.
