Сила Трения - Определение, Формула, Виды, Как найти?

Сила трения: величина, направление

С силой трения вы сталкиваетесь буквально каждую секунду. Каждый раз, когда вы взаимодействуете с любой поверхностью — идете по асфальту, сидите на стуле, пьете чай из чашки — на вас действует сила трения.

Трение — это и есть взаимодействие в плоскости соприкосновения двух поверхностей.

Чтобы перевести трение на язык математики, вводится понятие сила трения.

Сила трения — это величина, которая характеризует процесс трения по величине и направлению.

Измеряется сила трения, как и любая сила — в Ньютонах.

Возникает сила трения по двум причинам:

  • Различные шероховатости, царапины и прочие «несовершенства» поверхностей. Эти дефекты задевают друг друга при соприкосновении и создается сила, тормозящая движение.
  • Когда контактирующие поверхности практически гладкие (до идеала довести невозможно, но стремиться к нему — значит устремлять силу трения к нулю), то расстояние между ними становится минимальным. В этом случае возникает взаимное притяжение молекул вещества этих поверхностей. Притяжение обусловлено взаимодействием между электрическими зарядами атомов. В связи с этим можно часто услышать формулировку «Сила трения — сила электромагнитной природы»

Направлена сила трения всегда против скорости тела. В этом плане все просто, но всегда есть вопрос:

Куда сила трения приложена

В задачах часто пишут что-то вроде: «Поверхность считать идеально гладкой». Это значит, что сила трения в данной задаче отсутствует. Да, в реальной жизни это невозможно, но во имя красивой математической модели трением часто пренебрегают.

Не переживайте из-за этой несправедливости, а просто решайте задачи без трения, если увидели словосочетание «гладкая поверхность».

Сухое и вязкое трение

Есть очень большая разница между вашим соприкосновением с водой в бассейне во время плавания и соприкосновением между асфальтом и колесами вашего велосипеда.

В случае с плаванием мы имеем дело с вязким трением — явлением сопротивления при движении твердого тела в жидкости или воздухе. Самолет тоже подвергается вязкому трению и вон тот наглый голубь из вашего двора.

А вот сухое трение — это явление сопротивления при соприкосновении двух твердых тел. Например, если школьник ерзает на стуле или злодей из фильма потирает ладоши — это будет сухое трение.

А если злодей чистоплотный и потирает ладоши, капнув на них антисептик?

Тогда это вязкое трение, не смотря на то, что руки — твердые тела. В данном случае есть влажная прослойка.

Вязкое трение в школьном курсе физики не рассматривается подробно, а вот сухое — разбирают вдоль и поперек. У сухого трения также есть разновидности, давайте о них поговорим.

Трение покоя

Если вы решите сдвинуть с места грузовик, вряд ли у вас это получится. Не то, чтобы мы в вас не верим — просто это невозможно сделать из-за того, что масса человека во много раз меньше массы грузовика, да еще и сила трения мешает это сделать. Мир жесток, что тут поделать.

В случае, когда сила трения есть, но тело не двигается с места, мы имеем дело с силой трения покоя.

Сила трения покоя равна силе тяги. Например, если вы пытаетесь сдвинуть с места санки, действуя на них с силой тяги 10 Н, то сила трения будет равна 10 Н.

Сила трения покоя

Fтр = Fтяги

Fтр — сила трения скольжения [Н]

Fтяги — сила тяги[Н]

Немного потренируемся!

Задача

Найти силу трения покоя для тела, на которое действуют сила тяги в 4 Н.

Решение:

Тело покоится, значит

Fтр = Fтяги = 4 Н

Ответ: сила трения равна 4 Н.

Еще больше практики — в детской школе Skysmart. Вместо скучных параграфов ребенка ждут интерактивные упражнения с мгновенной автоматической проверкой и онлайн-доска, где можно рисовать и чертить вместе с преподавателем.

Запишите ребенка на бесплатный вводный урок по физике, чтобы он подружился с физикой и не боялся школьных контрольных.

Трение скольжения

А теперь давайте скользить на коньках по льду. Каток достаточно гладкий, но, как мы уже выяснили, сила трения все равно будет присутствовать и вычисляться будет по формуле:

Сила трения скольжения

Fтр = μN

Fтр — сила трения скольжения [Н]

μ — коэффициент трения [-]

N — сила реакции опоры [Н]

Сила трения, которую мы получим по этой формуле будет максимально возможной — то есть больше уже никуда.

Сила реакции опоры — это сила, с которой опора действует на тело. Она численно равна силе нормального давления и противоположна по направлению.

Сила реакции опоры

Сила нормального давления — это то же самое, что и вес тела?

Не совсем. Сила нормального давления направлена всегда перпендикулярно поверхности (нормаль — перпендикуляр к поверхности). Вес не обязательно направлен перпендикулярно поверхности.

В рамках школьного курса вес всегда направлен перпендикулярно поверхности, поэтому силу реакции опоры можно численно приравнивать к весу.

Подробнее про вес тела читайте в нашей статье😇

Также, если тело находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры будет равна силе тяжести: N = mg.

Коэффициент трения — это характеристика поверхности. Он определяется экспериментально, не имеет размерности и показывает, насколько поверхность гладкая — чем больше коэффициент, тем более шероховатая поверхность. Коэффициент трения положителен и чаще всего меньше единицы.

Будем бдительны!

Из формулы не следует зависимость силы трения от площади соприкосновения. Например, если вы положите брусок на один бок и протащите по столу, а потом перевернете на другой, не равный по площади, и сделаете то же самое — сила трения не изменится.

Задача 1

Масса котика, лежащего на столе, составляет 5кг. Коэффициент трения µ=0,2. К коту прилагают внешнюю силу, равную 2,5Н. Какая сила трения при этом возникает?

Решение:

По условию данной задачи невозможно понять, двигается наш котик или нет. Решение о том, приравниваем ли мы к силе тяги силу трения, принять сразу нельзя. В таких случаях нужно все-таки рассчитать по формуле:

F=μN

Так как котик лежит на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в данном случае равна силе тяжести: N = mg.

F=μmg=0,2∗5∗10=10Н

Мы получили максимально возможную силу трения. Внешняя сила по условию задачи меньше максимальной. Это значит, что котик находится в покое. Сила трения уравновешивает внешнюю силу. Следовательно, она равняется 2,5Н.

Ответ: возникает сила трения величиной 2,5 Н

Задача 2

Барсук скользит по горизонтальной плоскости. Найти коэффициент трения, если сила трения равна 5 Н, а сила давления тела на плоскость – 20 Н.

Решение:

В данной задаче нам известно, что барсучок скользит. Значит нужно воспользоваться формулой:

Fтр = μN

Так как барсук находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в данном случае равна силе давления на плоскость: N = Fд.

Fтр = μFд

Выражаем коэффициент трения:

μ = Fтр/Fд = 5/20 = 0,25

Ответ: коэффициент трения равен 0,25

Задача 3

Пудель вашей бабушки массой 5 килограмм скользит по горизонтальной поверхности. Сила трения скольжения равна 20 Н. Найдите силу трения, если пудель сильно похудеет, и его масса уменьшится в два раза, а коэффициент трения останется неизменным.

Решение:

В данной задаче нам известно, что пудель скользит. Значит, нужно воспользоваться формулой:

Fтр = μN

Так как пудель находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в данном случае равна силе тяжести: N = mg.

Fтр=μmg

Выразим коэффициент трения:

μ = Fтр/mg = 20/5*10 = 0,4

Теперь рассчитаем силу трения для массы, меньшей в два раза:

Формула: сила трения для массы

Ответ: сила трения будет равна 10 Н.

Задача 4

Ученик провел эксперимент по изучению силы трения скольжения, перемещая брусок с грузами равномерно по горизонтальным поверхностям с помощью динамометра.

Брусок с грузами

Результаты экспериментальных измерений массы бруска с грузами m, площади соприкосновения бруска и поверхности S и приложенной силы F представлены в таблице.

Что такое сила трения в физике

Определение

Силой трения называется сила, которая появляется во время движения при касании двух тел друг друга и которая оказывает сопротивление этому движению (всегда направлена в сторону, противоположную движению).

Чем больше значение силы трения между двумя телами, тем сложнее их перемещать относительно друг друга. Пример

Примером может быть картонная коробка весом в 20 килограмм, которую перемещают по квартире. Сила трения между коробкой и ламинатом в одной комнате будет гораздо меньше, чем между коробкой и ковром с длинным ворсом в другой. В первом случае двигать коробку достаточно легко, во втором — трудно.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Два тела при трении друг о друга, испытывают на себе действие третьего закона Ньютона. Сила трения, воздействующая на первый объект, равна по значению силе трения, воздействующей на второй объект. Но вектора двух этих сил имеют прямо противоположное направление.

В чем измеряется

Физическая природа трения состоит во взаимодействии атомов и молекул тел, которые соприкасаются между собой.

В физике принято обозначать силу трения большой латинской буквой F с пометкой тр.: Fтр.

Измерение данной физической величины осуществляется в Ньютонах (Н).

Виды силы трения с примерами

В зависимости от характера движения и типа взаимодействующих между собой поверхностей, выделяют несколько классификаций понятия трения. 

По направлению действия

По характеру движения тел выделяют силы трения:

  1. Покоя. Она всегда имеет нулевое значение и возникает при касании двух тел, которые находятся в состоянии покоя относительно друг друга.
  2. Скольжения. Это классический вид трения, который возникает при скольжении двух тел относительно друг друга. Значение данной величины зависит от массы тела (чем больше масса, тем больше и сила трения) и характера поверхности (скольжение по льду/скольжение по земле).
  3. Качения. Данная сила появляется тогда, когда один объект катится по поверхности другого (автомобиль по дороге). Благодаря открытию, что сила трения при качении в разы меньше в сравнении с силой трения при скольжении, наши предки и придумали одно из главных изобретений человечества — колесо. 
  4. Верчения. Этот вид силы появляется, когда одно тело вращается по поверхности другого.

По типу взаимодействующих поверхностей

Само трение тоже бывает нескольких видов:

  1. Сухое. Возникает при касании друг о друга твердых поверхностей.
  2. Вязкое (жидкостное). Возникает при касании твердого тела c жидкостью или газом. Как правило, сила вязкого трения гораздо меньше силы сухого трения.
  3. Смешанное. Появляется между соприкасающимися поверхностями твердых тел, между которыми находится слой смазки.

Внутреннее и внешнее трение

Трение бывает:

Внешнее возникает при соприкосновении твердых тел. Внутреннее проявляется при взаимодействии газа или жидкостей. Внутри одного тела происходит смещение слоев относительно друг друга.

Коэффициент трения 

Для того, чтобы произвести расчет силы трения, необходимо знать коэффициент трения (k), который зависит от материала поверхности и не имеет единиц измерения в системе СИ.

Коэффициент трения представляет собой постоянную физическую величину, значение которой для разного рода тел можно узнавать из таблицы.

Коэффициент трения 

Формулы расчета силы трения

Для тела, находящегося на горизонтальной поверхности, расчет силы трения производится по формуле:

\(F_тр=k\times N\)

Где k — коэффициент трения, а N — сила реакции опоры.

Из формулы расчета силы трения ясно, что помимо коэффициента трения, нужно знать силу реакцию опоры (N), которая равна силе тяжести и зависит от массы тела (m) и ускорения свободного падения (g):

\(N=m\times g\)

При движении тела по наклонной поверхности формула для нахождения силы трения усложняется:

\(F=k\times m\times g\times\cos\alpha\)

Где \(\cos\alpha\) — это отношение прилежащего к углу катета к гипотенузе образовавшегося треугольника.

Тела по наклонной поверхности

В зависимости от условий задачи на нахождение силы трения, выбрать для расчета необходимо одну из приведенных формул.

График зависимости силы трения от силы тяги

График зависимости силы трения от силы тяги
  • Определение силы трения
  • Виды силы трения
  • Как найти силу трения?
  • Формула силы трения
  • Рекомендованная литература и полезные ссылки
  • Сила трения, видео
  • Сила трения возникает из соприкосновения поверхностей двух физических тел, пребывающих в движении по отношению друг к другу. Теория трения издревле волновала умы человечества, древние инженеры: строители Египетских пирамид, Стоунхенджа в Англии или таинственных каменных истуканов на острове Пасхе, все они (как впрочем, и их современные коллеги) решали насущную проблему, связанную с трением и тем как его максимально уменьшить. Ведь именно сила трения делает трудным перемещение тяжелых грузов по земле (тех же камней для пирамид или Стоунхенджа), и чтобы облегчить эту задачу, нашими далекими предками было придумано такое полезное изобретение как колесо и сделано множество других важных открытий. В нашей статье мы посмотрим на силу трения в физическом аспекте, разберем, как действует она на те или иные тела, какие есть ее виды и формулы расчета.

    Определение силы трения

    Что такое сила трения? Классическое определение звучит так: сила трения – это сила, появляющаяся при соприкосновении двух тел во время движения и препятствующая этому самому движению. Иными словами, чем больше сила трения между телами, тем труднее их двигать относительно друг друга. Что же касается самой физической природы трения, то оно появляется как результат взаимодействия между атомами и молекулами тел, соприкасающихся между собой.

    Также стоит заметить, что при трении двух тел на них действует третий закон Ньютона: сила трения, действующая на первое тело (тело А), равна силе трения, действующей на второе тело (тело Б), только по модулю эти силы имеют противоположное направление.

    трение

    На этой картинке, сила трения, действующая на холодильник, равна силе трения, действующей на пол, но направлены эти силы в противоположные стороны.

    Виды силы трения

    В зависимости от характера движения тел различают такие виды сил трения как:

    • Покоя. Сила трения покоя возникает при соприкосновении двух тел, которые, однако, не движутся относительно друг друга, и имеет нулевое значение.
    • Скольжения. Сила трения скольжения – наиболее классическая иллюстрация действия трения, возникает при скольжении тел относительно друг друга. На ее величину влияет масса тела (чем она больше, тем больше сила трения), характер поверхности (разумеется, при скольжении по льду сила трения будет в разы меньше чем при скольжении по земле).
    • Качения. Сила трения качения появляется, когда одно тело катится по поверхности другого, например, при езде на велосипеде или автомобиле. При качении сила трения гораздо меньше, чем при скольжении. Это опытным, эмпирическим путем установили еще те далекие наши предки, которые изобрели колесо – величайшее изобретение в истории науки и техники.
    • Верчения. Сила трения верчения проявляется при вращении одного тела по поверхности другого.
    Виды силы трения

    Что же касается самого трения то и оно бывает нескольких видов:

    • Сухое – проявляется при соприкосновении твердых поверхностей.
    • Вязкое, также подобное трение называют жидкостным, появляется при соприкосновении твердого тела c жидкостью либо газом. Например, на корабль, плывущий по воде, как и на поверхность воды, действует вязкое (жидкостное) трение. Сила вязкого трения обычно гораздо меньше силы сухого трения.
    • Смешанное, возникает, когда между поверхностями, которые соприкасаются, есть слой смазки.

    Интересный факт: при осаде Константинополя в 1453 году турки, чтобы обойти специальную цепь, преграждающую путь турецким кораблям в залив Золотой Рог перетянули их по суше. А для того, чтобы уменьшить силу трения при перемещении больших тяжелых военных кораблей сделали настил из деревянных рельсов, который обильно смазали салом. Таким образом, благодаря смазке и смешанному трению, сила которого гораздо меньше, чем при трении сухом, турки удачно воплотили свой замысел, приведя защитников Константинополя в подлинное смятение.

    Султан Мехмед II наблюдает за перевозкой своих судов

    Султан Мехмед II наблюдает за перевозкой своих судов.

    Как видите, знание законов физики и механики не раз и не два находило свое практическое воплощение в реальной жизни.

    Но вернемся от истории снова к физике, трение также разделяют на внешнее и внутреннее. Внешнее трение характерно для взаимодействия исключительно твердых тел. Внутреннее трение характеризуется вязкостью и возникает при взаимодействии жидкостей или газов, а такое взаимодействие может происходить внутри условно одного тела. Например, в водах мирового океана есть разные течения, с более холодной или более теплой водой, при взаимодействии этих течений между ними и возникает внутреннее трение.

    Как найти силу трения?

    Чтобы рассчитать силу трения необходимо знать коэффициент трения k, который зависит от характера поверхности. Коэффициент трения – постоянная величина и его значение можно узнать из специальной таблицы.

    коэффициент трения

    Помимо коэффициента трения необходимо знать силу реакцию опоры N, которая, по сути, равна силе тяжести (гравитации) зависящей от массы тела (m) и ускорения свободного падения. Ее формула будет иметь следующий вид:

    N = m * g

    Где m – масса тела, а g – ускорение свободного падения, это постоянная величина равная 9,8 м/с2.

    Формула силы трения

    Сила трения высчитывается путем произведения реакции опоры N и коэффициента трения k. Формула силы трения будет иметь следующий вид:

    Fтр = k * N.

    В некоторых формулах коэффициент трения k обозначается символом µ.

    Написанные выше расчеты справедливы в самом простом случае, когда тело лежит на строго горизонтальной поверхности.

    сила трения на горизонтальной поверхности

    Если же движение происходит по наклонной плоскости, то расчеты силы трения несколько усложняются. На тело, как и раньше, действует сила гравитации и реакция опоры поверхности, но не в одном направлении.

    сила трения на наклонной поверхности

    Таким образом, формула силы трения для тела, которое движется по наклонной поверхности, будет иметь следующий вид:

    Fтр = k * m * g * cosα.

    Где k – коэффициент трения, m – масса тела, g гравитационная постоянная (помним, что она равна 9,8 м/с2), cosα – отношение катета, прилежащего к углу, к гипотенузе треугольника (косинус).

    формула трения

    При определении силы трения на наклонных поверхностях ярко проявляется связь между физикой и геометрией.

    Рекомендованная литература и полезные ссылки

    • Сила трения. ЗФТШ, МФТИ. Дата обращения 14 февраля 2019.
    • Енохович А. С. Справочник по физике. — Просвещение, 1978. — С. 85. — 416 с.
    • Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 1. Трение в машинах. Теория, расчет и конструкция подшипников и подпятников скольжения. Машгиз. М.-Л. — 1947. 256 с.
    • 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.

    Сила трения, видео

    И в завершении образовательное видео по теме нашей статьи.

    Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

    При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

    Тре́ние — процесс взаимодействия тел при их относительном движении (смещении) либо при движении тела в газообразной или жидкой среде. По-другому называется фрикционным взаимодействием (англ. friction). Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется механикой фрикционного взаимодействия, или трибологией.

    Трение главным образом имеет электронную природу при условии, что вещество находится в нормальном состоянии. В сверхпроводящем состоянии вдалеке от критической температуры основным «источником» трения являются фононы, а коэффициент трения может уменьшиться в несколько раз[ссылка 1].

    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 \mu, который определяется материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел.

    В простейших случаях сила трения F и нормальная нагрузка (или сила нормальной реакции) N_{normal} связаны неравенством

     | F | \leqslant \mu {N_{normal}},

    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 \mu не превышает 1 и находится в диапазоне 0,1 — 0,5. Если коэффициент трения превышает 1 (\mu > 1), это означает, что между контактирующими телами имеется сила адгезии N_{adhesion} и формула расчета коэффициента трения меняется на

    \mu = \frac{F}{N_{normal}+N_{adhesion}}.

    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 (\mu \geqslant 1), 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

    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

    Сила трения появляется, когда две поверхности соприкасаются и движутся относительно друг друга. Процесс изучает физика, в частности механика. Она рассматривает основные законы, которым поддаются тела при их движении и взаимодействии, выясняет причины, влияющие на изменение положения предметов.

    Определение и природа силы трения

    Сила трения Fтр возникает при касании двух тел. Она создает препятствия для их дальнейшего движения. 

    Причины возникновения силы трения

    Это происходит при взаимодействии атомов и молекул, из которых состоят предметы. Поэтому природа ее появления – электромагнитные волны. Она действует в двух направлениях, направлена на оба тела. 

    При этом ее значение по модулю не изменяется. Если на одно из двух соприкасающихся тел действует сила, то она оказывает влияние и на другое.

    На предмет, остающийся без движения, влияет сила трения покоя. Пока ее значение не превысит внешнее вмешательство, пытающееся сместить предмет, он не изменит положение. 

    Сила трения

    Когда же ее величина возрастет до определенного предела, произойдет перемещение в новое место. Тогда появляется сила трения скольжения, ее направление противоположно смещению предмета.

    Благодаря действию трения невозможно перемещаться вечно. Движение закончится через определенное время. Если же внешняя сила вновь превысит значение трения покоя, то перемещение возобновится.

    Виды силы трения

    Основные виды силы трения:

    1. Покоя. Она сопротивляется внешним факторам, пытающимся сдвинуть тело. При их отсутствии ее значение приравнивают к нулю.

    2. Скольжения. Она находится в прямой зависимости от коэффициента трения и значения силы, с которой поверхность оказывает давление на тело. Ее направление действия всегда перпендикулярно поверхности. Она обычно ниже, чем максимальная сила трения покоя.

    3. Качения. Она возникает, когда одно тело катится по поверхности другого. Например, при соприкосновении колеса едущего велосипеда с дорогой или при работе подшипникового механизма. Она оказывает гораздо меньшее действие, чем трение скольжения, если остальные условия считать неизменными. Ее открытие стало незаменимым для техники. Колеса и круглые детали, вращающиеся и меняющие положение, являются основой многих механизмов и работы транспортных средств.

    4. Верчения. Она появляется, когда один предмет начинает вращаться по поверхности другого.

    Виды силы трения

    Само трение может быть нескольких видов:

    1. Сухим. Проявляется при соприкосновении твердых поверхностей. На них не наблюдаются другие материалы и слои. Такое в природе и жизни встречается крайне редко.

    2. Вязким. Его еще называют жидкостным. Возникает при взаимодействии твердого тела с жидкостью или газом. Они могут течь мимо неподвижного предмета. Или он перемещается в жидкой или газообразной субстанции. Например, лодку тянут на канате по реке. Тело заставляет перемещаться верхний слой жидкости или газа. Словно тянет его за собой. Он в свою очередь действует на другой слой, расположенный ниже. Чем дальше от тела, тем ниже скорость движения слоев. Это происходит из-за уменьшения влияния твердого предмета. Между слоями возникает сила трения, так как тела движутся относительно друг друга. Она приводит к их торможению, а значит и действует на твердое тело, останавливая его. Температура определяет степень вязкости веществ. Например, она снижается при нагревании масла. Это наглядно видно на работе автомобильного мотора. Когда машина долго находилась на холоде, двигатель нужно сначала разогреть, чтобы увеличить скорость его вращения. У газов обратная зависимость. Вязкость растет с увеличением температуры.

    3. Смешанным. Оно наблюдается, когда между телами, соприкасающимися поверхностями, есть слой смазки.

    Вязкое трение

    Также трение разделяют на внутреннее и внешнее. Последнее возникает при взаимодействии твердых тел. Значит к нему можно отнести сухое трение. 

    Внутреннее же характеризуется вязкостью. Именно при взаимодействии жидкостей или газа смещение происходит внутри одного тела, когда слои движутся относительно друг друга.

    Как найти силу трения

    18

    Чтобы найти силу трения, нужно знать коэффициент трения k, зависящий от свойств поверхности. Это постоянная величина, значение которой берется из таблиц. 

    Коэффициент трения таблица

    Также понадобится сила реакции опоры N. Нужная величина определяется произведением двух значений:

    Fтр = k * N

    Буквой k обозначается коэффициент. Также можно встретить символ µ. Обычно он находится в пределах от 0,1 до 1. 

    Например, для резины, перемещающейся по сухому асфальту, при движении он колеблется от 0,5 до 0,8. При скольжении металла по дереву – 0,4, железа по чугуну – 0,18.

    Сила реакции опоры не отличается от величины силы тяжести, зависящей от веса тела. Поэтому ее значение равно произведению массы тела (m) на ускорение свободного падения (g).

    N = m * g

    Это постоянная величина, составляющая 9,8 м/с². Это правило действует, когда приходится иметь дело с горизонтальной поверхностью. Сила тяжести и реакция опоры уравновешивают друг друга. Поэтому их считают равными величинами.

    11111

    Если же происходит движение по наклонной плоскости, ход рассуждений несколько меняется. На предмет по-прежнему действуют силы тяжести и реакция опоры, но не в одном направлении.

    При знании угла наклона плоскости к горизонту, формула трансформируется и приобретает следующий вид:

    N = k * m *·g *·cosα

    Здесь необходимо руководствоваться тем, что косинус это отношение катета, прилежащего к углу, к гипотенузе треугольника. Это один из тех случаев, доказывающих тесную взаимосвязь физики и тригонометрии.

    Пример решения задачи

    Задача, на применение полученных знаний, связанных с силой трения, поможет закрепить материал.

    Условие задачи. На полу стоит коробка весом 7 кг. Коэффициент трения между ней и полом составляет 0,3. К коробке прикладывают силу, равную 14 Н. Сдвинется ли она с места?

    900

    Решение.

    Коробка находится на горизонтальной плоскости. Она подвержена действию силы тяжести, которую уравнивает реакция опоры. Они направлены перпендикулярно коробке и полу. Значит, для определения силы реакции опоры, нужно умножить массу коробки на ускорение:

    N = m * g;

    N = 10 кг * 9,8 м/с² = 98 кг * м/с² = 98 Н;

    Fтр = k * N;

    Fтр = 0,3·* 98Н = 29,4 Н.

    Ответ: полученное значение превышает усилия, приложенные к коробке со стороны, так как 29,4 Н > 14 Н. Значит, она останется на первоначальном месте.

    Сила трения присутствует в жизни постоянно. Она мешает предметам сдвинуться с места и противится их длительному скольжению и перемещению. Ее значение зависит от поверхностей, с которыми приходится соприкасаться, их свойств и характеристик. 

    Площадь соприкосновения не учитывается, зато имеет значение положение тела. Например, сила, возникающая при движении автомобиля по ровной поверхности, отличается от величины при перемещении по горной местности, расположенной под углом к горизонту. А если машине приходится двигаться на мокрой дороге, то значение снова меняется.

    Что такое сила трения

    Тела взаимодействуют друг с другом по-разному. Один из видов взаимодействия  - трение. Прежде чем разбираться с тонкостями сухого и вязкого трения, ответим на два вопроса. Что такое сила трения, и когда она возникает? 

    Что такое сила трения?

    Сила трения - сила, возникающая при соприкосновении тел и препятствующая их относительному движению.

    Трение возникает вследствие  взаимодействия между атомами и молекулами тел, когда они соприкасаются друг с другом.

    Природа силы трения - электромагнитная.

    Как и для любого другого взаимодействия, для трения справедлив третий закон Ньютона. Если на одно из двух взаимодействующих тел действует сила трения, то такая же по модулю сила действует на другое тело в противоположном направлении. 

    Сила трения покоя и сила трения скольжения

    Различают сухое и вязкое трение, силу трения покоя, силу трения скольжения, силу трения качения.

    Сухое трение - это трение, которое возникает между твердыми телами при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки. Силы трения направлена по касательной к соприкасающимся поверхностям.

    Представим, что на тело, например, брусок, лежащий на столе, действует некоторая внешняя сила. Эта сила стремится сдвинуть брусок с места. Пока тела покоятся, на брусок действуют сила трения покоя и, собственно, внешняя сила. Сила трения покоя равна внешней силе и уравновешивает ее.

    Когда внешняя сила превышает некоторое предельное значение Fтр.max, брусок сдвигается с места. На него так же действует сила трения, но это уже не сила трения покоя, а сила трения скольжения. Сила трения скольжения направлена в сторону, противоположную движению, и зависит от скорости движения тела.

    Сила трения покоя и сила трения скольжения

    При решении физических задач силу трения скольжения часто принимают равной максимальной силе трения покоя, а зависимостью от силы трения от относительной скорости движения тел пренебрегают. 

    Сила трения покоя и сила трения скольжения

    На рисунке выше показаны реальная и идеализированная характеристики сухого трения. Как видим, на самом деле сила трения скольжения меняется в зависимости от скорости, однако изменения не столь велики, чтобы ими нельзя было пренебречь.

    Нужна помощь преподавателя?

    Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

    Сила трения пропорциональна силе нормальной реакции опоры.

    Fтр=Fтр.max=μN.

    Что такое коэффициент трения скольжения?

    μ - коэффициент пропорциональности, который называется коэффициентом трения скольжения. Он зависит от материалов соприкосающихся тел и их свойств. Коэффициент трения скольжения - безразмерная величина, не превышающая единицы.

    Сила трения покоя и сила трения скольжения

    Силы трения качения возникают при качении тел. Обычно при решении задач ими пренебрегают. 

    Вязкое трение в жидкостях и газах

    Вязкое трение возникает при движении тел в жидкостях и газах. Сила вязкого трения также направлена в сторону, противоположную движению тела, но по величине гораздо меньше силы трения скольжения. Трение покоя отсутствует при вязком трении.

    Расчет силы вязкого трения более сложен, нежели расчет силы трения скольжения. При малых скоростях движения тела в жидкоси сила вязкого трения пропорциональна скорости тела, а при больших скоростях - квадрату скорости. Коэффициенты пропорциональности при этом зависят от формы тел, также необходимо учитывать свойства самой среды, в которой происходит движение. 

    Например, силы вязкого трения в воде и масле будут отличаться, так как эти жидкости имеют различные вязкости. 

    Сила трения — это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого тела и направленная противоположно направлению движения.

    Сила трения замедляет движение.

    Сила трения появляется всегда, когда соприкасаются поверхности тел, находящихся в движении.

    Причины трения:

    1. неровности поверхностей соприкосновения;2. при идеально гладких поверхностях — действие притяжения молекул.

    ыыыв.png

    Величина силы трения зависит от:

    1. свойств соприкасающихся поверхностей;

    2. силы, которая давит на поверхность. Чем больше сила, которая прижимает тело к поверхности, тем больше сила трения.

    Силу трения между различными поверхностями характеризует коэффициент трения, например,  

    сталь по стали — \(0,24\);

    резина по асфальту — \(0,45\);

    резина по мокрому асфальту — \(0,2\).

    Трение является полезным, например, без трения мы не смогли бы сделать ни шагу (на льду трение меньше, поэтому идти по нему труднее), сила трения покоя позволяет предметам оставаться на своих местах, не позволяет выскальзывать опорам, которые удерживают на месте шурупы и гвозди, а также нити в тканях. Без трения автомобили и велосипеды не смогли бы двигаться в желаемом направлении.

    Трение увеличивают, используя зимние покрышки, зимой посыпая скользкую дорогу песком, используя в механизмах шестерни и т.д.

    Однако трение является также и вредным, оно влияет на нагрев и износ находящихся в соприкосновении деталей механизмов.

    Это явление устраняют, используя смазочные вещества, заменяя трение скольжения трением качения(используя колёса и подшипники).

    В направлении, противоположном движению тела, действует также сила сопротивления среды.

    Силу, возникающую при движении тела в газе или в жидкости и препятствующую движению, называют силой сопротивления.

    Сила сопротивления зависит от:

    1. свойств среды (в воде бежать труднее, чем по суше);

    2. формы тела;

    3. скорости движения (чем выше скорость, тем больше возрастает сила сопротивления).

    Чтобы устранить силу сопротивления, телу придают округлённые, плоские (обтекаемые) формы.

    High-speedrail-1.jpg

    Обтекаемая форма высокоскоростного поезда.

    Добавить комментарий