Три вида силы трения

Содержание

Что такое сила трения, формулы

Трение происходит из-за мелких неровностей на поверхности контактирующих тел, а также благодаря их взаимодействию на молекулярном уровне. Сила трения взаимосвязана с силой прижатия объектов и вещества, из которого они состоят.

Виды и примеры силы трения

Любое движение в природе и технике, которое предполагает наличие физического контакта между твердыми телами, сопровождается возникновением трения. В данной статье приведем примеры силы трения и покажем, в каких случаях она играет полезную роль, а в каких является нежелательной.

Трение покоя: определение, формула, пример

Каждый из нас знаком с проявлением силы трения. Действительно, любое движение в повседневной жизни, будь то ходьба человека или перемещение транспортного средства, невозможно без участия этой силы. В физике принято изучать три вида сил трения. В данной статье рассмотрим один из них, разберемся, что собой представляет трение покоя.

Виды трения и формулы для расчета их сил. Примеры

Любой контакт между двумя телами приводит к появлению силы трения. При этом не важно, в каком агрегатном состоянии вещества находятся тела, движутся они относительно друг друга или покоятся. В данной статье кратко рассмотрим, какие виды трения существуют в природе и технике.

Трение в механизмах. Законы, виды трения

Трением называется сопротивление относительному перемещению соприкасающихся и взаимодействующих тел, возникающее в зоне их контакта.

Вектор силы трения, лежит в касательной плоскости к трущимся поверхностям и направлен против скорости относительного движения.

Сила трения покоя имеет место до начала движения при действии сдвигающей силы. Величина неполной силы трения покоя равна приложенной сдвигающей силе; величина полной силы трения равна предельному значению сдвигающей силы, при котором может начаться относительное движение тел.

Сила трения движения возникает при относительном движении тел. Ее величина не зависит от движущей силы, превышение которой над силой трения вызывает ускорение движения тела.

Величины силы трения движения и предельной силы трения покоя при скольжении зависят от следующих факторов:

  • а) нормальной силы;
  • б) удельного давления на трущихся поверхностях;
  • в) скорости относительного движения;
  • г) материалов трущихся тел;
  • д) гладкости трущихся поверхностей;
  • е) смазки и загрязнения трущихся поверхностей.

Величина силы трения качения кроме перечисленных факторов зависит еще от радиусов кривизны поверхностей в месте их соприкосновения.

Виды сил трения: сравнительная характеристика и примеры

Сила трения представляет собой некую физическую величину, которая препятствует любому движению тела. Она возникает, как правило, при движении тел в твердом, жидком и газообразном веществе. Различные виды сил трения играют важную роль в жизни человека, поскольку они препятствуют чрезмерному увеличению скорости движения тел.

Основные сведения

В соответствии с законом Кулона сила трения прямо пропорционально зависит от степени нормальной реакции поверхностей, что контактируют. Другими словами, процессы, сопровождающиеся силой трения, нельзя описывать только классической механикой, так как реакции, происходящие в них, довольно сложные.

Силы трения имеют электромагнитную природу. Они возникают из-за воздействий на межмолекулярном уровне.

Какие виды трения между твердыми телами бывают

Проявление трения скольжения

В данной статье рассмотрим только примеры сил трения, которые действуют между твердыми объектами, имеющими физический контакт друг с другом.

Одним из важных видов трения является трение покоя. Исходя из самого названия, можно предположить, что оно проявляется, когда одно тело на поверхности другого покоится. Каждый знает, чтобы с места сдвинуть какой-нибудь тяжелый предмет, необходимо приложить некоторую внешнюю силу, направленную вдоль поверхности контакта этого предмета и поверхности, на которой он стоит. Противодействие этой силе оказывает сила трения покоя. Действует она между поверхностями соприкосновения тел. Трение покоя возникает из-за наличия шероховатости на касающихся поверхностях, какими бы гладкими они ни являлись.

Второй вид трения, который мы рассмотрим, это трение скольжения. Возникает оно также по причине упомянутой шероховатости, когда тела начинают движение относительно друг друга с помощью скольжения. Направление и точка приложения силы трения скольжения являются точно такими же, как для трения покоя. Единственным отличием между этими силами является то, что сила скольжения всегда меньше, чем сила покоя.

Третьим видом трения, который играет не меньшую роль в технике, чем первые два, является трение качения. Как говорит его название, появляется оно, когда одно тело катится по поверхности другого. Причина трения качения заключается в гистерезисе деформации, который приводит к “распылению” кинетической энергии катящегося тела. В ряде практических случаев эта сила трения в 10-100 и более раз меньше, чем предыдущие рассмотренные виды трения.

Все виды сил трения прямо пропорциональны силе реакции опоры, с которой последняя действует на рассматриваемое тело.

Вред и польза силы трения покоя: примеры

Из всех названных видов трения, пожалуй, трение покоя является самым “безобидным”. Дело в том, что оно на практике играет практически всегда полезную роль. Единственный его отрицательный момент заключается в том, что оно больше трения скольжения. Последний факт означает, что для любого начала движения необходимо приложить большое усилие. Например, чтобы начать движение на лыжах по снегу, сначала следует буквально “оторвать” их от снежной поверхности.

Существует масса примеров пользы силы трения покоя. Перечислим их:

  • Гвозди и шурупы, которые прочно скрепляют два твердых тела из дерева, пластика и металла, выполняют свои функции благодаря действию рассматриваемой силы.
  • Ходьба человека, езда автомобилей по дорогам осуществляется благодаря тому, что трение покоя оказывается бо́льшим, чем трение скольжения. В противном бы случае, нам тяжело было бы двигаться, люди и транспортные средства скользили бы на одном месте.
  • Любые тела, которые покоятся на наклонных поверхностях, обязаны действию трения покоя. Если бы последнего не было, то невозможно было бы поставить на ручной тормоз автомобиль на косогоре или любой бытовой предмет на стол, который имеет небольшой наклон к горизонту.

Кинетическое трение

Когда вы толкнули книгу на столе и она переместилась на определенное расстояние, то она испытала трение, воздействующее на движущиеся объекты. Эта сила известна как сила кинетического трения. Она воздействует на одну поверхность другой, когда две поверхности натирают друг друга, потому что движутся одна или обе поверхности. Если вы положите дополнительные книги поверх первой книги, чтобы увеличить нормальную силу, сила кинетического трения будет увеличиваться.

Существует следующая формула: Fтрения= μFn. Сила кинетического трения равна произведению коэффициента кинетического трения и нормальной силы. Существует линейная зависимость между этими двумя силами. Коэффициент кинетического трения связывает силу трения с нормальной силой. Раз это сила, единицей для ее измерения является Ньютон.

Трение между двумя твердыми телами

При рассмотрении вопроса различных видов сил трения наблюдались следующие закономерности для двух твердых тел:

  1. Направлена сила трения параллельно поверхности опоры.
  2. Коэффициент трения зависит от природы контактирующих поверхностей, а также от их состояния.
  3. Максимальная сила трения находится в прямой пропорциональности к нормальной силе или к реакции опоры, которая действует между поверхностями контакта.
  4. Для одних и тех же тел сила трения больше перед тем, как тело начинает движение, и затем уменьшается, когда тело начинает двигаться.
  5. От площади контакта коэффициент трения не зависит, также он практически не зависит от скорости скольжения.

Действующая внешняя сила на брусок на горизонтальной поверхности

Препятствующая движению сила трения

Теперь к описанной выше ситуации добавим еще одну действующую силу. Предположим, что человек начал толкать брусок вдоль горизонтальной поверхности. Обозначим эту силу буквой F. Можно заметить удивительную ситуацию: если сила F невелика, то несмотря на ее действие, брусок продолжает покоиться на поверхности. Вес тела и реакция опоры направлены перпендикулярно поверхности, поэтому их горизонтальные проекции равны нулю. Иными словами, силы P и N не могут оказать никакого противодействия величине F. В таком случае, почему брусок остается в состоянии покоя и не движется?

Очевидно, что должна существовать сила, которая направлена против силы F. Этой силой является трение покоя. Она направлена против F вдоль горизонтальной поверхности. Действует она в области контакта нижней грани бруска и поверхности. Обозначим ее символом Ft. Закон Ньютона для горизонтальной проекции запишется в виде:

«Запечатлеть» — это разговор о памятных образах Вам будет интересно: «Запечатлеть» — это разговор о памятных образах

Таким образом, модуль силы трения покоя всегда равен абсолютной величине внешних сил, действующих вдоль горизонтальной поверхности.

Трение в процессе скольжения

Еще один важный вид трения для человека проявляет себя, когда одно тело скользит по поверхности другого. Возникает это трение по той же физической причине, что и трение покоя. Более того, его сила вычисляется по аналогичной формуле.

Единственная разница с предыдущей формулой заключается в использовании для трения скольжения других коэффициентов µk. Коэффициенты µk всегда меньше аналогичных параметров для трения покоя для одной и той же пары трущихся поверхностей. На практике этот факт проявляется следующим образом: постепенное увеличение внешней силы приводит к возрастанию величины Ft1 до тех пор, пока она не достигает своего максимального значения. После этого она резко падает на несколько десятков процентов до значения Ft2 и поддерживается постоянной в процессе движения тела.

Сила трения скольжения

Коэффициент µk зависит от тех же факторов, что параметр µt для трения покоя. Сила трения скольжения Ft2 от скорости перемещения тел практически не зависит. Лишь на больших скоростях становится заметно ее уменьшение.

Важность трения скольжения для жизни человека можно проследить на таких примерах, как езда на лыжах или катание на коньках. В этих случаях уменьшают коэффициент µk с помощью модификации трущихся поверхностей. Наоборот, посыпание дорог солью и песком преследует цель увеличить значения коэффициентов µk и µt.

Начало движения бруска

Чтобы записать формулу трения покоя, продолжим начатый в предыдущих пунктах статьи эксперимент. Будем увеличивать абсолютное значение внешней силы F. Брусок какое-то время еще будет оставаться в покое, но наступит момент, когда он начнет двигаться. В этот момент сила трения покоя приобретет максимальное значение.

Чтобы найти это максимальное значение, возьмем еще один точно такой же брусок, как и первый, и положим его сверху. Площадь контакта бруска с поверхностью не изменилась, однако его вес увеличился вдвое. Экспериментально было установлено, что сила F отрыва бруска от поверхности также увеличилась вдвое. Этот факт позволил записать следующую формулу трения покоя:

То есть максимальная величина силы трения оказывается пропорциональной весу тела P, где в качестве коэффициента пропорциональности выступает параметр µs. Величина µs называется коэффициентом трения покоя.

Поскольку вес тела в проведенном эксперименте равен силе реакции опоры N, то формулу для Ft можно переписать так:

В отличие от предыдущего, это выражение можно использовать всегда, даже когда тело находится на наклонной плоскости. Модуль силы трения покоя прямо пропорционален силе реакции опоры, с которой поверхность действует на тело.

Трение качения

Это один из важных видов трения для функционирования современной техники. Оно присутствует при вращении подшипников и движении колес транспортных средств. В отличие от трения скольжения и покоя, трение качения обусловлено деформацией колеса в процессе движения. Эта деформация, которая происходит в упругой области, в результате гистерезиса рассеивает энергию, проявляясь в виде силы трения во время движения.

Сила трения качения

Расчет максимальной силы трения качения осуществляется по формуле:

То есть сила Ft3, как силы Ft1 и Ft2, прямо пропорциональна реакции опоры. Однако она также зависит от твердости соприкасающихся материалов и радиуса колеса R. Величина d называется коэффициентом сопротивления качению. В отличие от коэффициентов µk и µt, величина d имеет размерность длины.

Как правило, безразмерное отношение d/R оказывается на 1-2 порядка меньше, чем значение µk. Это означает, что перемещение тел с помощью качения энергетически намного более выгодно, чем с помощью скольжения. Именно поэтому во всех трущихся поверхностях механизмов и машин стараются использовать трение качения.

Законы

Обобщая экспериментальный материал о закономерностях движения, установили следующие основные законы, касающиеся трения:

  1. Сопротивление движению скольжения между двумя телами пропорционально нормальной силе, действующей между ними.
  2. Сопротивление движению между трущимися телами не зависит от площади контакта между ними.

Для демонстрации второго закона можно привести такой пример: если взять блок и перемещать его методом скольжения по поверхности, то необходимая сила для такого перемещения будет одинакова, и когда блок лежит на поверхности своей длинной стороной, и когда он стоит торцом.

Действие силы трения

Законы, касающиеся различных видов сил трения в физике, были открыты в конце XV века Леонардом да Винчи. Затем о них забыли на долгое время, и лишь в 1699 году их заново открыл французский инженер Амонтон. С тех пор законы трения носят его имя.

Измерение коэффициентов трения

От чего зависит сила трения? В природе и технике материалы, из которых сделаны поверхности, играют определенную роль. Например, представьте, что вы пытаетесь играть в баскетбол, нося носки вместо спортивной обуви. Это может значительно ухудшить ваши шансы на победу. Обувь помогает обеспечить силу, необходимую для торможения и быстрого изменения направлений во время бега по поверхности. Между вашей обувью и баскетбольной площадкой трения больше, чем между вашими носками и полированным деревянным полом.

Различные коэффициенты показывают, как легко один объект может скользить по сравнению с другим. Точные их измерения достаточно чувствительны к условиям поверхностей и определяются экспериментально. Влажные поверхности ведут себя совершенно иначе, чем сухие поверхности.

Физические причины возникновения силы Ft

Пики и впадины под микроскопом

Вопрос, почему появляется трение покоя, является сложным и требует рассмотрения контакта между телами на микроскопическом и атомарном уровне.

В общем случае можно назвать две физические причины возникновения силы Ft:

Насколько бы гладкой ни была любая поверхность, она обладает неровностями и неоднородностями. Грубо эти неоднородности можно представить в виде микроскопических пиков и впадин. Когда пик одного тела попадает во впадину другого тела, то происходит механическое сцепление между этими телами. Огромное число микроскопических сцепок является одной из причин появления трения покоя.

Вторая причина заключается в физико-химическом взаимодействии между молекулами или атомами, из которых состоят тела. Известно, когда два нейтральных атома приближаются друг к другу, то между ними могут возникать некоторые электрохимические взаимодействия, например, диполь-дипольные или ван-дер-ваальсовые. В момент начала движения брусок вынужден преодолевать эти взаимодействия, чтобы оторваться от поверхности.

Почему в покое сила трения больше таковой при скольжении?

При рассмотрении нескольких видов сил трения (покоя и скольжения) следует отметить, что статическая сила трения всегда меньше или равна произведению коэффициента трения покоя на силу реакции опоры. Коэффициент трения определяется экспериментальным путем для этих трущихся материалов и заносится в соответствующие таблицы.

Динамическая сила вычисляется точно так же, как и статическая. Только в этом случае используют коэффициент трения именно для скольжения. Трения коэффициент обычно обозначается греческой буквой μ (мю). Таким образом, общая формула для обеих сил трения имеет вид: Fтр = μ * N, где N – сила реакции опоры.

Статическая и кинетическая сила

Точно не установлена природа различия между этими видами сил трения. Однако большинство ученых полагают, что сила трения покоя больше таковой для скольжения, потому что когда тела находятся некоторое время в покое относительно друг друга, между их поверхностями могут образоваться ионные связи или микросплавления отдельных точек поверхностей. Эти факторы и вызывают увеличение статического показателя.

Примером нескольких видов силы трения и их проявления является поршень в цилиндре двигателя автомобиля, который “припаивается” к цилиндру, если двигатель долго не работает.

Особенности силы Ft

Действие силы трения покоя

Выше уже было отмечено, чему равна сила трения покоя максимальная, а также указано ее направление действия. Здесь перечислим другие характеристики величины Ft.

Трение покоя не зависит от площади контакта. Она определяется исключительно реакцией опоры. Чем больше площадь контакта, тем меньше деформация микроскопических пиков и впадин, однако тем больше их количество. Этот интуитивный факт объясняет, почему максимальная величина Ft не изменится, если брусок перевернуть на грань с меньшей площадью.

Трение покоя и трение скольжения имеют одну и ту же природу, описываются одинаковыми формулами, однако вторая всегда меньше, чем первая. Трение скольжения появляется, когда брусок начинает движение по поверхности.

Сила Ft в большинстве случаев является неизвестной величиной. Формула, которая приведена выше для нее, соответствует максимальному значению Ft в момент начала движения бруска. Чтобы яснее понять названный факт, ниже приведен график зависимости силы Ft от внешнего воздействия F.

График зависимости силы трения

Видно, что с возрастанием F трение покоя растет линейно, достигает максимума, а затем уменьшается, когда тело начинает движение. Во время движения говорить о силе Ft уже нельзя, поскольку ее заменяет трение скольжения.

Наконец, последней важной особенностью силы Ft является то, что она не зависит от скорости перемещения (при относительных больших скоростях Ft уменьшается).

Скользящее по горизонтали тело

Получим уравнение движения для тела, которое под действием внешней силы Fв начинает перемещаться по поверхности путем скольжения. В данном случае воздействуют следующие силы на тело:

  • Fв – внешняя сила;
  • Fтр – трения сила, которая противоположна по направлению силе Fв;
  • N – сила реакции опоры, которая равна по модулю весу тела P и направлена к поверхности, то есть под прямым углом к ней.

Скольжение бруска

Учитывая направления всех сил, запишем второй закон Ньютона для этого случая движения: Fв – Fтр = m * a, где m – масса тела, a – ускорение движения. Зная, что Fтр = μ * N, N = P = m * g, где g – ускорение свободного падения, получим: Fв – μ * m * g = m * a. Откуда, выражая ускорение, с которым движется скользящее тело, получаем: a = Fв / m – μ * g.

Роль трения в природе, технике, жизни

Трение является неотъемлемой частью человеческого опыта. Нам нужна тяга, чтобы ходить, стоять, работать и ездить. В то же время нам нужна энергия, чтобы преодолеть сопротивление движению, поэтому слишком много трения требует избыточной энергии для выполнения работы, что приводит к неэффективности. В 21 веке человечество столкнулось с двойной проблемой нехватки энергии и глобального потепления от сжигания ископаемого топлива. Таким образом, способность контролировать трение стала сегодня главным приоритетом в современном мире.Тем не менее у многих понимание фундаментальной природы трения все еще отсутствует.

Трение в природе и технике (физика) всегда было предметом любопытства. Интенсивное изучение происхождения этой силы началось в 16 веке, после новаторской работы Леонардо да Винчи. Однако прогресс в понимании его природы был медленным, что затруднялось отсутствием инструмента для точного измерения. Гениальные эксперименты, выполненные ученым Кулоном и другими, дали важную информацию, чтобы заложить основу для понимания. Начиная с конца 1800-х и начала 1900-х годов появились паровые двигатели, локомотивы, а затем самолеты. Также освоение космоса требует четкого понимания трения и способности контролировать его.

Значительный прогресс в том, как применять и контролировать трение в природе технике, в быту, был сделан путем проб и ошибок. В начале 21 века появилось новое измерение нано-масштабного трения в связи с использованием нано-технологий. Человеческое понимание атомного и молекулярного трения быстро расширяется. Сегодня энергоэффективность и производство возобновляемых источников энергии требуют непосредственного внимания, в то время как наука стремится к сокращению выбросов углерода. Способность контролировать трение становится важным шагом в поиске устойчивых технологий. Именно оно является показателем энергоэффективности. Если получится уменьшить ненужные потери энергии и увеличить текущую эффективность использования энергии, это даст время для разработки альтернативных источников энергии.

Увеличение и уменьшение сил трения

Как мы видели выше в примерах, силы трения покоя и скольжения иногда оказываются полезными, а иногда вредными. В связи с этим человечество с давних времен использует способы для изменения масштаба действия трения как в сторону увеличения соответствующей силы, так и в сторону ее уменьшения.

Яркими примерами, как увеличить силу трения, является посыпание песком и солью льда на дорогах. В результате этих действий происходит увеличение шероховатости ледяной поверхности и, как следствие, увеличение сил трения покоя и скольжения.

Посыпание солью тротуаров

Еще один способ увеличения рассматриваемых сил заключается в использовании специальных поверхностей. Ярким примером является поверхность зимней покрышки автомобиля, которая характеризуется глубоким протектором и наличием металлических шипов.

Во время катания на лыжах, а также при вращении подшипников различных механизмов трение играет отрицательную роль. Для его уменьшения используют специальные смазки, как правило, на основе жиров (воск, литол).

Движение твердого тела в жидкости

При рассмотрении вопроса о том, какие виды силы трения существуют, следует упомянуть важное явление в физике, которое заключается в описании того, как в жидкости движется твердое тело. В данном случае речь идет об аэродинамическом трении, которое определяется в зависимости от скорости движения тела в жидкости. Существует два вида движения:

  • Когда твердое тело движется с небольшой скоростью, говорят о ламинарном движения. Сила трения при ламинарном движении оказывается пропорциональной скорости. Примером является закон Стокса для сферических тел.
  • Когда движение тела в жидкости происходит с большей скоростью, чем некоторое пороговое значение, то вокруг тела начинают появляться завихрения из потоков жидкости. Эти завихрения создают дополнительную силу, препятствующую движению, и в итоге сила трения оказывается пропорциональной квадрату скорости.

Закон Стокса

Брусок на наклонной поверхности: расчет максимального угла наклона

Теперь решим такую задачу: деревянный брусок находится на деревянной наклонной плоскости. Полагая коэффициент трения равным 0,4, необходимо найти максимальный угол наклона α плоскости к горизонту, при котором брусок начнет скользить.

Скольжение начнется, когда проекция веса тела на плоскость станет равной максимальной силе трения покоя. Запишем соответствующее условие:

Подставляя в последнее уравнение значение µs = 0,4, получаем α = 21,8o.

Коэффициент качения

В соответствии с формулой для этого вида силы трения получаем, что коэффициент трения качения μк имеет размерность длины. Главным образом он зависит от природы контактирующих тел. Величина, которая определяется отношением коэффициента трения качения к радиусу, называется коэффициентом качения, то есть Cк = μк / R – безразмерная величина.

Подшипники качения

Коэффициент качения Cк значительно меньше коэффициента трения скольжения μтр. Поэтому при ответе на вопрос о том, при каком виде трения сила наименьшая, можно смело называть силу трения качения. Благодаря этому факту изобретение колеса считается важным шагом технического прогресса человечества.

Коэффициент качения является характеристикой конкретной системы и зависит от следующих факторов:

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Егор Новиков
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий