Чему равна сила трения покоя в жидкости. Сила трения

Темы кодификатора ЕГЭ: силы в механике, сила трения, коэффициент трения скольжения.

Сила трения - это сила взаимодействия между соприкасающимися телами, препятствующая перемещению одного тела относительно другого. Сила трения всегда направлена вдоль поверхностей соприкасающихся тел.

В школьной физике рассматриваются два вида трения.

1.Сухое трение . Оно возникает в зоне контакта поверхностей твёрдых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки.
2.Вязкое трение. Оно возникает при движении твёрдого тела в жидкой или газообразной среде или при перемещении одного слоя среды относительно другого.

Сухое и вязкое трение имеют разную природу и отличаются по свойствам. Рассмотрим эти виды трения по отдельности.

Сухое трение.

Сухое трение может возникать даже при отсутствии относительного перемещения тел. Так, тяжёлый диван остаётся неподвижным при слабой попытке сдвинуть его с места: наша сила, приложенная к дивану, компенсируется силой трения, возникающей между диваном и полом. Сила трения, которая действует между поверхностями покоящихся тел и препятствует возникновению движения, называется силой трения покоя.

Почему вообще появляется сила трения покоя? Соприкасающиеся поверхности дивана и пола являются шероховатыми, они усеяны микроскопическими, незаметными глазу бугорками разных форм и размеров. Эти бугорки зацепляются друг за друга и не дают дивану начать движение. Сила трения покоя, таким образом, вызвана силами электромагнитного отталкивания молекул, возникающими при деформациях бугорков.

При плавном увеличении усилия диван всё ещё не поддаётся и стоит на месте - сила трения покоя возрастает вместе с увеличением внешнего воздействия, оставаясь равной по модулю приложенной силе. Это понятно: увеличиваются деформации бугорков и возрастают силы отталкивания их молекул.

Наконец, при определённой величине внешней силы диван сдвигается с места. Сила трения покоя достигает своего максимально возможного значения. Деформации бугорков оказываются столь велики, что бугорки не выдерживают и начинают разрушаться. Возникает скольжение.

Сила трения, которая действует между проскальзывающими поверхностями, называется силой трения скольжения. В процессе скольжения рвутся связи между молекулами в зацепляющихся бугорках поверхностей. При трении покоя таких разрывов нет.

Объяснение сухого трения в терминах бугорков является максимально простым и наглядным. Реальные механизмы трения куда сложнее, и их рассмотрение выходит за рамки элементарной физики.

Сила трения скольжения, приложенная к телу со стороны шероховатой поверхности, направлена противоположно скорости движения тела относительно этой поверхности. При изменении направления скорости меняется и направление силы трения. Зависимость силы трения от скорости - главное отличие силы трения от сил упругости и тяготения (величина которых зависит только от взаимного расположения тел, т. е. от их координат).

В простейшей модели сухого трения выполняются следующие законы. Они являются обобщением опытных фактов и носят приближённый характер.

1. Максимальная величина силы трения покоя равна силе трения скольжения.
2. Абсолютная величина силы трения скольжения прямо пропорциональна силе реакции опоры:

Коэффициент пропорциональности - называется коэффициентом трения.

3. Коэффициент трения не зависит от скорости движения тела по шероховатой поверхности.
4. Коэффициент трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

Этих законов достаточно для решения задач.

Задача. На горизонтальной шероховатой поверхности лежит брусок массой кг. Коэффициент трения . К бруску приложена горизонтальная сила . Найти силу трения в двух случаях: 1) при 2) при .

Решение.Сделаем рисунок, расставим силы. Силу трения обозначаем (рис. 1 ).

Рис. 1. К задаче

Запишем второй закон Ньютона:

(1)

Вдоль оси брусок не совершает движения, . Проектируя равенство (1) на ось , получим: , откуда .

Максимальная величина силы трения покоя (она же сила трения скольжения) равна

1) Сила меньше максимальной силы трения покоя. Брусок остаётся на месте, и сила трения будет силой трения покоя:
2) Сила больше максимальной силы трения покоя. Брусок начнёт скользить, и сила трения будет силой трения скольжения: .

Вязкое трение.

Сила сопротивления, возникающая при движении тела в вязкой среде (жидкости или газе), обладает совершенно иными свойствами.

Во-первых, отсутствует сила трения покоя. Например, человек может сдвинуть с места плавающий многотонный корабль, просто потянув за канат.

Во-вторых, сила сопротивления зависит от формы движущегося тела. Корпус подводной лодки, самолёта или ракеты имеет обтекаемую сигарообразную форму - для уменьшения силы сопротивления. Наоборот, при движении полусферического тела вогнутой стороной вперёд сила сопротивления очень велика (пример - парашют).

В третьих, абсолютная величина силы сопротивления существенно зависит от скорости. При малых скоростях движения сила сопротивления прямо пропорциональна скорости:

При больших скоростях сила сопротивления прямо пропорциональна квадрату скорости:

Например, при падении в воздухе зависимость силы сопротивления от квадрата скорости имеет место уже при скоростях около нескольких метров в секунду. Коэффициенты и зависят от формы и размеров тела, от физических свойств поверхности тела и вязкой среды.

Так, парашютист при затяжном прыжке не набирает скорость безгранично, а с определённого момента начинает падать с установившейся скоростью, при которой сила сопротивления становится равна силе тяжести:

Отсюда установившаяся скорость:

(2)

Задача. Два металлических шарика, одинаковых по размеру и различных по массе, падают без начальной скорости с одной и той же большой высоты. Какой из шариков быстрее упадёт на землю - лёгкий или тяжёлый?
Решение. Из формулы (2) следует, что у тяжёлого шарика установившаяся скорость падения больше. Значит, он дольше будет набирать скорость и потому быстрее достигнет земли.

В статье вы узнаете что такое сила трения, формулы для силы трения. Что такое трение скольжения, и когда оно появляется. Также коэффициент трения скольжения с примером и его решением.

Сила трения — это сила, появляющаяся при соприкосновении объектов и мешающая их движению относительно плоскости.

Сила трения представляет собой пассивную силу, то есть возникает, когда силы, параллельные земле, начинают действовать на соприкасающиеся тела. Рассмотрим случай, когда мы перемещаем гардероб (рис. 1) Q — масса тела, равна давлению (N ), поскольку тело находится на плоской поверхности, F r — сила реакции опоры.

Рис.1 Рис. 2 наклонный сегмент — статическое трение, сегмент параллельный оси F — динамическое трение

Чтобы человек сдвинул комод, ему нужно оказывать воздействие на него с такой силой F , которая будет выше силы трения T . Это связано с тем, что в тот момент, когда человек прикладывал силу F , возникала сила трения T , равная силе F , но всегда направленная на ее возврат F = T . Предположим, что человек увеличивает силу F , прилагаемой к шкафу (но так, чтобы шкаф все еще оставался в покое), тогда сила трения также увеличивается, и равенство F = T все равно будет выполнено. Сила трения, которая влияет на неподвижное тело, называется статическим трением или трением покоя . Теперь давайте посмотрим на тот момент, когда мужчина набрал такую силу, что тело начало двигаться. Статическая сила трения теперь достигла максимального значения и появилась новая сила — динамическое трение или трение скольжения , к которому мы вернемся позже. График (рис. 2) показывает, как значение силы трения Т изменяется в зависимости от приложенной силы F .

Статическая сила трения зависит от типа подложки (или фактически типа контактирующих поверхностей) и силы давления (на ровной поверхности она равна весу, N = Q , или наклон другой). Формула для максимального статического трения, то есть значение силы трения, после которой тело начнет двигаться, имеет вид: T max = f 0 *N , где f 0 — коэффициент статического трения.

Когда сила F превышает значение T max , движению тела всегда противодействует меньшее трение, имеющее постоянное значение, независимо от скорости тела — трение скольжения (динамическое трение). Формула, выражающая ее значение, аналогична формуле статического трения: T = f*N , но f — это коэффициент динамического трения, обычно меньше коэффициента статического трения.

Мы понимаем, что видео куда проще воспринимать, поэтому мы оставим видео ниже на тему: «Сила трения и трение скольжения «

Трение скольжения

Рассмотрим, какие силы сопровождают тело, расположенное на наклонной плоскости, с высотой h , длиной равной l , длиной основания x и углом наклона a (альфа), когда тело начинает скользить вниз и почему?

Тело, расположенное на наклонной плоскости, действует с силой тяжести Q , вектор которой направлен перпендикулярно земле. Разобьем вектор силы Q на составляющие:
— сила давления N , всегда направленная перпендикулярно поверхности равновесия
— сила, вызывающая скольжение тела F s , вектор которого параллелен поверхности наклона.

Кроме того, все еще существуют силы F R — сила реакции опоры, которая уравновешивает силу давления N и силу трения, F s равна ей, если тело не соскальзывает равномерно.

Угол, который создает силу давления N и вес Q , всегда совпадает с углом наклона (потому что треугольник x, h, l подобен треугольнику N, F s , Q, поэтому, имея вес и наклон угла наклона, можно рассчитать каждую силу. И так:
sin a = F s / Q, или F s = Q*sin a
cos a = N / Q, или N = Q*cos a

Кроме того, пропорции верны:
N / Q = x / l , из теоремы Пифагора:

Поэтому

У нас есть еще одна сила — сила трения. Если тело находится в состоянии покоя, сила трения равна силе скольжения. Благодаря этому мы можем рассчитать коэффициенты статического трения, используя равенства. Для этого разместите тело как можно более равномерно с наибольшим углом наклона, но чтобы тело не могло двигаться! Если F s = Т макс (Т макс максимальное значение статического трения), мы также знаем, что:
T макс = F 0 *Н , то:
F s = F 0 *Н , и таким образом мы получаем
F 0 = F s / N

Из полученных шаблонов получаем:
f 0 = (Q*sin a) / (Q*cos a) , которая после преобразования дает:
f 0 = tg a

Коэффициент трения

Оказывается, что в типичных ситуациях отношение трения скольжения к давлению предмета на плоскость является постоянным. Его значение называется коэффициентом трения .

f — коэффициент трения (величина)
T — сила трения скольжения (В системе СИ в ньютонах)
N — сила давления (В системе СИ в ньютонах)

Мы имеем дело со случаем статического трения, когда мы начинаем перемещать (удаляться от) контактирующие поверхности различных тел. Напротив, динамическое трение происходит уже во время движения. Поскольку перемещать тело с места обычно труднее, чем поддерживать его скорость позже, в большинстве случаев статическое трение больше, чем динамическое.

Разница между коэффициентом статического трения и динамическим коэффициентом может быть различной — она очень велика в случае заносов на замороженных санях и мала для гладких и твердых поверхностей. Формула для значения коэффициента трения одинакова для обоих типов.

Пример расчета коэффициента трения скольжения

Человек двигается с постоянной скоростью и тащит мешок весом 50кг, с приложенной силой в 100Н. Каков коэффициент трения в этом случае?

Решение:
Конечно, мы имеем дело с динамическим трением, потому что говорится о том, чтобы «тянуть» сумку, а не перемещать ее.

Для расчета коэффициента трения необходимо ввести оба значения с правой стороны в формулу:

Теперь знаменатель — акцент. Давление на блок исходит от земли и направлено вверх (пол держит его). Давление против силы действующего блока, потому что он должен уравновесить эту силу. Поэтому значения давления и силы тяжести одинаковы. Если значение силы давления определяется N , а значение силы трения P , то мы можем написать:

N = P = m*g

Итак, мы имеем:

В основном данные (приблизительное значение g составляет 10 м / с 2):

В нашем случае коэффициент динамического трения равен 0,2

Сила трения

Виды

При наличии относительного движения двух контактирующих тел силы трения, возникающие при их взаимодействии, можно подразделить на:

Трение скольжения - сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения.
Трение качения - момент сил , возникающий при качении одного из двух контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого.
Трение покоя - 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 при микроперемещениях (например, при деформации) контактирующих тел. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного относительного движения.

В физике взаимодействия трение принято разделять на:

сухое , когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками (в том числе и твердыми смазочными материалами) - очень редко встречающийся на практике случай. Характерная отличительная черта сухого трения - наличие значительной силы трения покоя;
граничное , когда в области контакта могут содержаться слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и так далее) - наиболее распространённый случай при трении скольжения.
смешанное , когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
жидкостное (вязкое) , при взаимодействии тел, разделённых слоем твёрдого тела (порошком графита), жидкости или газа (смазки) различной толщины - как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость, величина вязкого трения характеризуется вязкостью среды;
эластогидродинамическое , когда решающее значение имеет внутреннее трение в смазывающем материале. Возникает при увеличении относительных скоростей перемещения.

В связи со сложностью физико-химических процессов, протекающих в зоне фрикционного взаимодействия, процессы трения принципиально не поддаются описанию с помощью методов классической механики .

Закон Амонтона - Кулона

Основной характеристикой трения является коэффициент трения , который определяется материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел.

В простейших случаях сила трения и нормальная нагрузка (или сила нормальной реакции) связаны неравенством

обращающимся в равенство только при наличии относительного движения. Это соотношение называется законом Амонтона - Кулона .

Закон Амонтона - Кулона с учетом адгезии

Для большинства пар материалов значение коэффициента трения не превышает 1 и находится в диапазоне 0,1 - 0,5. Если коэффициент трения превышает 1 , это означает, что между контактирующими телами имеется сила адгезии и формула расчета коэффициента трения меняется на

Прикладное значение

Трение в механизмах и машинах

В большинстве традиционных механизмов (ДВС , автомобили, зубчатые шестерни и пр.) трение играет отрицательную роль, уменьшая КПД механизма. Для уменьшения силы трения используются различные натуральные и синтетические масла и смазки. В современных механизмах для этой цели используется также напыление покрытий (тонких плёнок) на детали. С миниатюризацией механизмов и созданием микроэлектромеханических систем (МЭМС) и наноэлектромеханических систем (НЭМС) величина трения по сравнению с действующими в механизме силами увеличивается и становится весьма значительной , и при этом не может быть уменьшена с помощью обычных смазок, что вызывает значительный теоретический и практический интерес инженеров и учёных к данной области. Для решения проблемы трения создаются новые методы его снижения в рамках трибологии и науки о поверхности (англ. ).

Сцепление с поверхностью

Наличие трения обеспечивает возможность перемещаться по поверхности. Так, при ходьбе именно за счёт трения происходит сцепление подошвы с полом, в результате чего происходит отталкивание от пола и движение вперёд. Точно так же обеспечивается сцепление колёс автомобиля (мотоцикла) с поверхностью дороги. В частности, для увеличения улучшения этого сцепления разрабатываются новые формы и специальные типы резины для покрышек, а на гоночные болиды устанавливаются антикрылья , сильнее прижимающие машину к трассе.

См. также

Журналы

Трение, Износ, Смазка , журнал о трении.
Трение и Износ , журнал о трении издаётся Национальной Академией Наук Беларуси с 1980 г.
Journal of Tribology , международный журнал о трении.
Wear , международный журнал о трении и износе.
Таблицы коэффициентов трения , численные значения коэффициентов трения.

Литература

Дерягин Б. В. Что такое трение? М.: Изд. АН СССР, 1963.
Крагельский И. В., Щедров В. С. Развитие науки о трении. Сухое трение. М.: Изд. АН СССР, 1956.
Фролов, К. В. (ред.) Современная трибология: Итоги и перспективы . ЛКИ, 2008.
Bowden F. P., Tabor D. The Friction and Lubrication of Solids. Oxford University Press, 2001.
Persson Bo N. J.: Sliding Friction. Physical Principles and Applications. Springer, 2002.
Popov V. L. Kontaktmechanik und Reibung. Ein Lehr- und Anwendungsbuch von der Nanotribologie bis zur numerischen Simulation , Springer, 2009.
Rabinowicz E. Friction and Wear of Materials. Wiley-Interscience, 1995.

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Трение" в других словарях:

Трение - – процесс, возникающий на поверхности соприкосновения тел, как находящихся в состоянии покоя, так и взаимного перемещения. … … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Современная энциклопедия

Трение - внешнее, механическое сопротивление, возникающее при относительном перемещении двух соприкасающихся тел в плоскости их касания. Сила сопротивления направлена противоположно относительному перемещению тел и называется силой трения. Трение… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

ТРЕНИЕ, противодействие перемещению соприкасающихся тел, направленное вдоль плоскости соприкосновения, а также противодействие жидкостям или газам, текущим по поверхности. Трение прямо пропорционально силе, сдавливающей поверхности, и зависит от… … Научно-технический энциклопедический словарь

ТРЕНИЕ, трения, ср. 1. только ед. Состояние трущихся один о другой предметов, движение одного предмета по тесно соприкасающейся с ним поверхности другого. Машины изнашиваются от трения одних частей о другие. || Сопротивление движению, возникающее … Толковый словарь Ушакова

ТРЕНИЕ, см. тереть. Толковый словарь Даля. В.И. Даль. 1863 1866 … Толковый словарь Даля

ТРЕНИЕ, я, ср. 1. Сила, препятствующая движению одного тела по поверхности другого (спец.). Коэффициент трения. Кинематическое т. (между движущимися телами). Т. покоя (между неподвижными телами). 2. Движение предмета по тесно соприкасающейся с… … Толковый словарь Ожегова

В аэро и гидродинамике касательные составляющие вектора поверхностных сил. Если в аэро и гидродинамических задачах движение жидкости или газа исследуется на основе Навье Стокса уравнений, то действие сил трения учитывается во всём поле течения, и … Энциклопедия техники

Что такое трение? Каково значение данной физической величины? В окружающем мире есть много интересных физических явлений: молния, снег, град, гром. А что такое трение? Проанализируем особенности данного процесса, области его применения.

Примеры возникновения

Если разбежаться, можно по ледяной тропинке прокатиться на определенную длину. На асфальтовом покрытии подобная ситуация невозможна. В чем причина такого отличия? Определяет такую разницу трение. Физика детально рассматривает все причины возникновения этой силы.

Характеристика

Сила трения движения возникает при соприкосновении двух тел. Одно из них будет препятствовать передвижению второго, эта сила и является силой трения. Существует несколько вариантов таких сил, возникающих при определенных условиях.

Разновидности трения

Если необходимо сдвинуть с места тяжелый шкаф, сделать это одному человеку достаточно проблематично. Необходимо увеличить «сдвигающую» силу. При этом будет возрастать и сила трения покоя. Ее направление противоположно движению передвигаемого шкафа.

В тот момент, когда сила тяги приобретает величину большую, чем шкаф меняет свое местоположение. В этот момент появляется другая сила трения. Ускорение, которым обладает трение движения, определяет характер перемещения. Если она преобладает над силой тяги, в таком случае сложно будет вести речь о быстром передвижении.

Иногда на автомобильных дорогах возникают ситуации, при которых несколько человек пытаются передвигать заглохшее транспортное средство. Во время толкания автомобиля они используют Во время перекатывания тела по поверхности дороги возникает ускорение.

Коэффициент трения в этом случае зависит от рисунка на шинах, состояния дорожного полотна, погодных условий.

Если по поверхности будет передвигаться круглый шарик, трение имеет незначительную величину. Данное явление широко используют в повседневной жизни. Массивную мебель оснащают специальными колесиками, позволяющими (в случае необходимости) передвигать ее с одного участка помещения на другой.

Особенности силы

Что такое сила, направленная противоположно движению тела. Данная способствует уменьшению скорости тела. Если бы не было данной силы, можно было бы передвигаться на роликах или велосипеде, не прилагая для этого усилий. Именно существование силы трения объясняет передвижение транспортного средства на некоторое расстояние уже после того, как был заглушен двигатель. Основными видами трения являются: качение, скольжение, покой.

Природа трения

Рассуждая над тем, что такое трение, необходимо выявить природу возникновения данной силы. При наличии гладкой поверхности, например льда либо полированного стола, увидеть незначительные шероховатости можно только с помощью лупы или микроскопа. Именно за них будет «цепляться» тело, передвигающееся по поверхности. Так как определенные неровности есть и у самого движущегося объекта, возникает соприкосновение между поверхностями.

Сначала тела притягиваются друг к другу, но по мере удаления движущегося предмета сцепление разрушается. В результате возникает колебание атомов, освободившихся от взаимного притяжения. Аналогично можно описать и состояние растягиваемой пружины.

При трении наблюдается повышение температуры, то есть выделяется определенное количество тепла.

Причины возникновения трения

Возникает данная сила при наличии на поверхности соприкосновения двух тел неровностей, а также из-за силы межмолекулярного взаимодействия.

Зависит сила трения от материала, из которого изготовлены соприкасающиеся поверхности, вес взаимодействующих объектов. Для математического вычисления данной физической величины существует специальная формула, связывающая силу трения с силой, действующей на опору, а также с коэффициентом трения.

Он отражает зависимость величины искомой силы от выбранного материала, а также от качества его обработки. Единица при передвижении тела по горизонтальной поверхности равна его весу. В случае наклонной плоскости ее величина уменьшается, поэтому с крутой горы на лыжах (санках) можно укатиться на весьма внушительное расстояние.

Данная сила совершает определенную работу. Если тело будет перемещаться, обязательным условием является совершение работы. Сила трения старается препятствовать передвижению предмета по поверхности. Именно поэтому у работы, совершаемой ею, отрицательное значение.

Применение трения

Человека в его повседневной жизни всегда сопровождает сила трения. Она способна оказывать как положительное, так и отрицательное действие. Например, если бы не существовало подобной силы в природе, тела бы сползали вниз, транспорт распадался на отдельные детали.

Трудно бы было завязать шнурки на ботинках, удержать на постоянном месте предметы интерьера. Человек при отсутствии трения не смог бы сделать даже одного шага. Для того чтобы решить подобную проблему, во время сильного гололеда стараются посыпать дорожки толстым слоем песка. Увеличивая увеличивают и силу трения, помогая людям без проблем передвигаться по скользким участкам дороги или тротуара.

Но помимо положительного эффекта, трение часто проявляет и отрицательные свойства. Люди умеют увеличивать и уменьшать его величину, получая для себя максимальную пользу. К примеру, чтобы с одного места на другое перенести тяжелый груз, используют колесики. Для того чтобы превратить скольжение в качение, например, увеличивают шероховатость поверхности.

В зависимости от того, какой рисунок был нанесен на шины, они используются для передвижения транспортного средства по разным участкам дороги.

Резина имеет черный цвет, так как в ее состав входит уголь. Он необходим для придания шинам прочности, необходимой жесткости, увеличения трения о поверхность дороги. При правильном расчете силы трения можно получать желаемый результат.

«Физика - 10 класс»

Вспомните, что такое трение.
Какими факторами оно обусловлено?
Почему изменяется скорость движения по столу бруска после толчка?

Ещё один вид сил, с которыми имеют дело в механике, - это силы трения. Эти силы действуют вдоль поверхностей тел при их непосредственном соприкосновении.

Силы трения во всех случаях препятствуют относительному движению соприкасающихся тел. При некоторых условиях силы трения делают это движение невозможным. Однако они не только тормозят движение тел. В ряде практически важных случаев движение тела не могло бы возникнуть без действия сил трения.

Трение, возникающее при относительном перемещении соприкасающихся поверхностей твёрдых тел, называется сухим трением .

Различают три вида сухого трения: трение покоя, трение скольжения и трение качения.

Трение покоя.

Попробуйте сдвинуть пальцем лежащую на столе толстую книгу. Вы приложили к ней некоторую силу, направленную вдоль поверхности стола, а книга остаётся в покое. Следовательно, между книгой и поверхностью стола возникает сила, направленная против той силы, с которой вы действуете на книгу, и в точности равная ей по модулю. Это сила трения тp . Вы с большей силой толкаете книгу, но она по-прежнему остаётся на месте. Значит, и сила трения тp настолько же возрастает.

Силу трения, действующую между двумя телами, неподвижными относительно друг друга, называют силой трения покоя .

Если на тело действует сила , параллельная поверхности, на которой оно находится, и тело при этом остаётся неподвижным, то это означает, что на него действует сила трения покоя тp , равная по модулю и направленная в противоположную сторону силе (рис. 3.22). Следовательно, сила трения покоя определяется действующей на него силой:

Если действующая на покоящееся тело сила хотя бы немного превысит максимальную силу трения покоя, то 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 весьма простой, но не очень точный количественный закон. Пусть на столе находится брусок с прикреплённым к нему динамометром. Проведём первый опыт. Потянем за кольцо динамометра и определим максимальную силу трения покоя. На брусок действуют сила тяжести m, сила нормальной реакции опоры 1 , сила натяжения 1 , пружины динамометра и максимальная сила трения покоя тр1 (рис. 3.23).

Положим на брусок ещё один такой же брусок. Сила давления брусков на стол увеличится в 2 раза. Согласно третьему закону Ньютона сила нормальной реакции опоры 2 также увеличится в 2 раза. Если мы снова измерим максимальную силу трения покоя, то увидим, что она увеличилась во столько раз, во сколько раз увеличилась сила 2 , т. е. в 2 раза.

Продолжая увеличивать число брусков и измеряя каждый раз максимальную силу трения покоя, мы убедимся в том, что

>максимальное значение модуля силы трения покоя пропорционально модулю силы нормальной реакции опоры.

Если обозначить модуль максимальной силы трения покоя через F тр. mах, то можно записать:

F тр. mах = μN (3.11)

где μ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения. Коэффициент трения характеризует обе трущиеся поверхности и зависит не только от материала этих поверхностей, но и от качества их обработки. Коэффициент трения определяется экспериментально.

Эту зависимость впервые установил французский физик Ш. Кулон.

Если положить брусок на меньшую грань, то F тр. mах не изменится.

Максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения тел.

Сила трения покоя изменяется в пределах от нуля до максимального значения, равного μN. За счёт чего может происходить изменение силы трения?

Дело здесь вот в чём. При действии на тело некоторой силы оно слегка (незаметно для глаза) смещается, и это смещение продолжается до тех пор, пока микроскопические шероховатости поверхностей не расположатся относительно друг друга так, что, зацепляясь одна за другую, они приведут к появлению силы, уравновешивающей силу . При увеличении силы тело опять чуть-чуть сдвинется так, что мельчайшие неровности поверхностей по-иному будут цепляться друг за друга, и сила трения возрастёт.

И лишь при > F тр. mах ни при каком взаимном расположении шероховатостей поверхности сила трения не в состоянии уравновесить силу , и начнётся скольжение.

Зависимость модуля силы трения скольжения от модуля действующей силы показана на рисунке 3.24.

При ходьбе и беге на подошвы ног действует сила трения покоя, если только ноги не скользят. Такая же сила действует на ведущие колёса автомобиля. На ведомые колёса также действует сила трения покоя, но уже тормозящая движение, причём эта сила значительно меньше силы, действующей на ведущие колёса (иначе автомобиль не смог бы тронуться с места).

В давнее время сомневались, что паровоз сможет ехать по гладким рельсам. Думали, что трение, тормозящее ведомые колёса, будет равно силе трения, действующей на ведущие колёса. Предлагали даже делать ведущие колёса зубчатыми и прокладывать для них специальные зубчатые рельсы.

Трение скольжения.

При скольжении сила трения зависит не только от состояния трущихся поверхностей, но и от относительной скорости движения тел, причём эта зависимость от скорости является довольно сложной. Опыт показывает, что часто (хотя и не всегда) в самом начале скольжения, когда относительная скорость ещё мала, сила трения становится несколько меньше максимальной силы трения покоя. Лишь затем, по мере увеличения скорости, она растёт и начинает превосходить F тр. mах.

Вы, вероятно, замечали, что тяжёлый предмет, например ящик, трудно сдвинуть с места, а потом двигать его становится легче. Это как раз и объясняется уменьшением силы трения при появлении скольжения с малой скоростью (см. рис. 3.24).

При не слишком больших относительных скоростях движения сила трения скольжения мало отличается от максимальной силы трения покоя. Поэтому приближённо можно считать её постоянной и равной максимальной силе трения покоя:

F тр ≈ F тр. mах = μN.

Силу трения скольжения можно уменьшить во много раз с помощью смазки - чаще всего тонкого слоя жидкости (обычно того или иного сорта минерального масла) - между трущимися поверхностями.

Ни одна современная машина, например двигатель автомобиля или трактора, не может работать без смазки. Специальная система смазки предусматривается при конструировании всех машин.

Трение между слоями жидкости, прилегающими к твёрдым поверхностям, значительно меньше, чем между сухими поверхностями.

Трение качения.

Сила трения качения существенно меньше силы трения скольжения, поэтому гораздо легче перекатывать тяжёлый предмет, чем двигать его.

Сила трения зависит от относительной скорости движения тел. В этом её главное отличие от сил тяготения и упругости, зависящих только от расстояний.

Силы сопротивления при движении твёрдых тел в жидкостях и газах.

При движении твёрдого тела в жидкости или газе на него действует сила сопротивления среды. Эта сила направлена против скорости тела относительно среды и тормозит движение.

Главная особенность силы сопротивления состоит в том, что она появляется только при наличии относительного движения тела и окружающей среды.
Сила трения покоя в жидкостях и газах полностью отсутствует.

Это приводит к тому что усилием рук можно сдвинуть тяжёлое тело, например плавающую лодку, в то время как сдвинуть с места, скажем, поезд усилием рук просто невозможно.

Модуль силы сопротивления F c зависит от размеров, формы и состояния поверхности тела, свойств среды (жидкости или газа), в которой тело движется, и, наконец, от относительной скорости движения тела и среды.

Примерный характер зависимости модуля силы сопротивления от модуля относительной скорости тела показан на рисунке 3.25. При относительной скорости, равной нулю, сила сопротивления не действует на тело (F c = 0). С увеличением относительной скорости сила сопротивления сначала растёт медленно, а затем всё быстрее и быстрее. При малых скоростях движения силу сопротивления можно считать прямо пропорциональной скорости движения тела относительно среды:

F c = k 1 υ, (3.12)

где k 1 - коэффициент сопротивления, зависящий от формы, размеров, состояния поверхности тела и свойств среды - её вязкости. Вычислить коэффициент k 1 теоретически для тел сколько-нибудь сложной формы не представляется возможным, его определяют опытным путём.

При больших скоростях относительного движения сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости:

F c = k 2 υ 2 , υ, (3.13)

где k 2 - коэффициент сопротивления, отличный от k 1 .

Какую из формул - (3 12) или (3.13) - можно использовать в конкретном случае, определяется опытным путём. Например, для легкового автомобиля первую формулу желательно применять приблизительно при 60-80 км/ч, при больших скоростях следует использовать вторую формулу.