Сила трения

Определение

Сила трения — это сила, возникающая при контакте двух тел, препятствующая их относительному движению или попытке такого движения, и направленная противоположно направлению движения или приложенной силы.

Формула

Fтр = μ · N

• Fтр — сила трения (скольжения или покоя)
• μ — коэффициент трения (зависит от материалов поверхностей)
• N — сила нормального давления (сила реакции опоры), перпендикулярная поверхности

Единицы измерения: ньютон (Н)

Как возникает сила трения?

Сила трения возникает из-за двух основных причин. Во-первых, поверхности всех тел не идеально гладкие. Даже если поверхность кажется гладкой, под микроскопом видны множество неровностей, бугорков и впадин. Когда два тела соприкасаются, эти неровности цепляются друг за друга, мешая скольжению. Во-вторых, между молекулами соприкасающихся поверхностей возникают силы притяжения (межмолекулярные взаимодействия). Эти силы также препятствуют относительному перемещению тел, особенно при очень плотном контакте.

Виды силы трения

Существует несколько видов силы трения. Сила трения покоя возникает, когда тело находится в покое, но на него действует сила, пытающаяся сдвинуть его с места. Она удерживает тело от движения. Сила трения скольжения возникает, когда одно тело скользит по поверхности другого. Она всегда меньше максимальной силы трения покоя. Сила трения качения возникает, когда одно тело катится по поверхности другого, например, колесо по дороге. Она обычно значительно меньше силы трения скольжения.

От чего зависит сила трения?

Сила трения зависит от нескольких факторов. Главные из них — это свойства материалов соприкасающихся поверхностей, которые определяют коэффициент трения (μ), и сила нормального давления (N), с которой тела прижимаются друг к другу. Чем сильнее тела прижаты друг к другу, тем больше сила трения. Также сила трения может зависеть от чистоты поверхностей, наличия смазки и температуры. Скорость движения, в большинстве случаев, слабо влияет на силу трения скольжения, но для трения покоя она не имеет значения, так как тело неподвижно.

Как найти и применять

1. Определите, какой вид трения рассматривается: покой, скольжение или качение.
2. Найдите силу нормального давления (N), с которой тело давит на поверхность. Часто она равна силе тяжести, если поверхность горизонтальна.
3. Найдите или определите коэффициент трения (μ) для данных материалов поверхностей. Это табличная величина.
4. Подставьте найденные значения в формулу Fтр = μ · N.
5. Укажите направление силы трения: оно всегда противоположно направлению движения или направлению приложенной силы, пытающейся сдвинуть тело.

Разбор задач

Задача 1

Деревянный брусок массой 2 кг лежит на горизонтальной доске. Коэффициент трения скольжения дерева по дереву равен 0,3. Какую силу нужно приложить к бруску, чтобы он начал скользить, и какова будет сила трения, когда он скользит?

1. Найдем силу нормального давления N. Поскольку брусок лежит на горизонтальной поверхности, N = mg. N = 2 кг · 9,8 м/с² = 19,6 Н. 2. Сила, которую нужно приложить, чтобы брусок начал скользить, равна максимальной силе трения покоя. Fтр_покоя_макс = μ · N = 0,3 · 19,6 Н = 5,88 Н. 3. Когда брусок скользит, сила трения скольжения Fтр_скольжения = μ · N = 0,3 · 19,6 Н = 5,88 Н (коэффициент трения скольжения в данном случае совпадает с коэффициентом трения покоя, но в общем случае они могут немного отличаться).

Ответ: Чтобы брусок начал скользить, нужно приложить силу не менее 5,88 Н. При скольжении сила трения будет равна 5,88 Н.

Где это встречается

• Тормозные системы автомобилей и велосипедов — Трение между тормозными колодками и диском/ободом колеса замедляет вращение колес, останавливая транспортное средство. Здесь нужна большая сила трения.
• Подошва обуви и шины автомобилей — Протектор на подошве и шинах увеличивает сцепление с поверхностью, обеспечивая достаточное трение для движения без скольжения и безопасной ходьбы.
• Коньки и лыжи — Для этих видов спорта важно минимизировать трение скольжения. Трение между лезвием конька и льдом, а также между лыжей и снегом очень мало, что позволяет легко скользить.
• Механизмы с движущимися частями (двигатели, редукторы) — В этих устройствах трение между деталями приводит к износу и потере энергии. Поэтому используют смазочные материалы (масла), которые уменьшают трение и продлевают срок службы механизмов.

Типичные ошибки

Не путать

• Сила тяжести — Сила тяжести — это сила притяжения Земли, направленная вертикально вниз. Сила трения возникает при контакте поверхностей и направлена вдоль них, препятствуя движению.
• Сила упругости — Сила упругости возникает при деформации тела и направлена на возвращение тела в исходное состояние (например, в пружине). Сила трения возникает при относительном движении или попытке движения контактирующих тел.
• Сила реакции опоры (нормальная сила) — Сила реакции опоры (N) — это сила, с которой опора действует на тело, перпендикулярно поверхности. Сила трения (Fтр) действует параллельно поверхности и пропорциональна силе реакции опоры (N).

Откуда взялось понятие

Изучение трения началось еще в древние времена. Леонардо да Винчи в XV веке проводил эксперименты и установил некоторые закономерности трения. Более систематические исследования были проведены французским учёным Гийомом Амонтоном в конце XVII века и Шарлем-Огюстеном Кулоном в XVIII веке, которые сформулировали основные законы трения.

Как запомнить

Трение — это сила-противник движения, но иногда и его двигатель.