Сила трения покоя

Определение

Сила трения покоя — это сила, которая возникает при контакте двух тел и препятствует возникновению их относительного движения, компенсируя приложенную внешнюю силу.

Формула

Fтр.пок. ≤ μпок. · N

• Fтр.пок. — сила трения покоя
• μпок. — коэффициент трения покоя (безразмерная величина)
• N — сила нормального давления (сила реакции опоры), перпендикулярная поверхности соприкосновения

Единицы измерения: ньютон (Н)

Как возникает сила трения покоя

Сила трения покоя возникает из-за неровностей на поверхностях тел. Даже гладкие на вид поверхности имеют микроскопические выступы и впадины. Когда два тела соприкасаются, эти неровности цепляются друг за друга. Кроме того, между атомами и молекулами соприкасающихся поверхностей возникают силы притяжения, которые также способствуют сцеплению. Именно эти факторы мешают телам начать двигаться относительно друг друга.

Почему она не даёт двигаться

Когда мы пытаемся сдвинуть предмет, мы прикладываем к нему внешнюю силу. Сила трения покоя «отвечает» на это действие, возникая в противоположном направлении и равная по величине приложенной силе. Она будет увеличиваться по мере увеличения внешней силы, пытаясь сохранить покой тела. Так происходит до тех пор, пока внешняя сила не превысит максимально возможное значение силы третрения покоя. В этот момент сцепление нарушается, и тело начинает двигаться.

Направление силы трения покоя

Сила трения покоя всегда направлена противоположно той силе, которая пытается сдвинуть тело. Если вы толкаете коробку вправо, сила трения покоя будет действовать влево. Если коробка стоит на наклонной плоскости и хочет соскользнуть вниз, сила трения покоя будет направлена вверх вдоль плоскости, не давая ей двигаться. Это делает её уникальной, так как её направление зависит от внешнего воздействия.

Максимальное значение силы трения покоя

Сила трения покоя не постоянна. Она «подстраивается» под внешнюю силу, но имеет свой предел — максимальное значение. Как только приложенная внешняя сила превысит это максимальное значение, тело начинает двигаться, и сила трения покоя сменяется силой трения скольжения. Максимальное значение силы трения покоя зависит от свойств соприкасающихся поверхностей (коэффициент трения покоя) и от того, насколько сильно они прижаты друг к другу (сила нормального давления).

Как найти и применять

1. Определите, какую внешнюю силу пытаются приложить к телу, чтобы сдвинуть его.
2. Найдите силу нормального давления (силу реакции опоры) — это сила, с которой поверхность давит на тело перпендикулярно ей. На горизонтальной поверхности она часто равна силе тяжести.
3. Определите коэффициент трения покоя для данных поверхностей (обычно даётся в задаче или справочнике).
4. Вычислите максимальную силу трения покоя по формуле Fтр.пок.макс. = μпок. · N.
5. Сравните приложенную внешнюю силу с максимальной силой трения покоя. Если внешняя сила меньше или равна максимальной силе трения покоя, то тело остаётся в покое, и сила трения покоя будет равна приложенной внешней силе. Если внешняя сила больше максимальной силы трения покоя, тело начнёт двигаться, и сила трения покоя сменится силой трения скольжения.

Разбор задач

Задача 1

На горизонтальной поверхности лежит деревянный брусок массой 2 кг. Коэффициент трения покоя между бруском и поверхностью равен 0,4. Какую горизонтальную силу нужно приложить к бруску, чтобы он начал двигаться?

1. Найдем силу тяжести, действующую на брусок: P = m · g = 2 кг · 9,8 м/с² = 19,6 Н. 2. На горизонтальной поверхности сила нормального давления N равна силе тяжести, то есть N = 19,6 Н. 3. Вычислим максимальную силу трения покоя: Fтр.пок.макс. = μпок. · N = 0,4 · 19,6 Н = 7,84 Н. 4. Чтобы брусок начал двигаться, приложенная внешняя сила должна быть чуть больше максимальной силы трения покоя.

Ответ: Чтобы брусок начал двигаться, нужно приложить горизонтальную силу, превышающую 7,84 Н.

Задача 2

Коробка массой 5 кг стоит на полу. Человек толкает её с горизонтальной силой 15 Н, но коробка не двигается. Чему равна сила трения покоя, действующая на коробку в данный момент?

Поскольку коробка не двигается, это означает, что сила трения покоя полностью компенсирует приложенную внешнюю силу. 1. Приложенная внешняя сила F = 15 Н. 2. Так как тело в покое, сила трения покоя Fтр.пок. равна приложенной силе.

Ответ: Сила трения покоя, действующая на коробку, равна 15 Н.

Где это встречается

• Ходьба и бег — Сила трения покоя между подошвой обуви и поверхностью земли позволяет нам отталкиваться и двигаться вперёд, не проскальзывая.
• Удержание предметов на наклонной поверхности — Книга не соскальзывает со стола, если он немного наклонён, благодаря силе трения покоя, которая уравновешивает компоненту силы тяжести, направленную вдоль наклонной плоскости.
• Крепление гвоздей и шурупов — Гвозди держатся в доске, а шурупы в дереве или стене за счёт силы трения покоя, которая препятствует их вытягиванию.
• Сцепление колёс автомобиля с дорогой — Сила трения покоя между шинами и дорожным покрытием позволяет автомобилю разгоняться, тормозить и поворачивать без пробуксовки.
• Удержание предметов в руках — Мы можем держать стакан или ручку, потому что сила трения покоя между пальцами и предметом не даёт ему выскользнуть.

Типичные ошибки

Не путать

• Сила трения скольжения — Сила трения покоя препятствует НАЧАЛУ движения, а сила трения скольжения действует, когда тела УЖЕ движутся относительно друг друга. Максимальная сила трения покоя обычно немного больше или равна силе трения скольжения.
• Сила трения качения — Сила трения покоя возникает между поверхностями, которые НЕ движутся относительно друг друга (по крайней мере, не скользят). Сила трения качения возникает, когда одно тело катится по поверхности другого (например, колесо по дороге).
• Сила нормального давления (сила реакции опоры) — Сила нормального давления всегда перпендикулярна поверхности контакта и является мерой того, как сильно тела прижаты друг к другу. Сила трения покоя всегда параллельна поверхности контакта и препятствует скольжению. Сила нормального давления является одним из факторов, от которых зависит максимальная сила трения покоя.

Откуда взялось понятие

Понятие силы трения и её зависимости от давления были изучены Леонардо да Винчи в XV веке, затем более подробно исследованы Гийомом Амонтоном в XVII веке и Шарлем-Огюстеном Кулоном в XVIII веке, которые сформулировали основные законы трения.

Как запомнить

Трение покоя — не даёт сдвинуть, пока не поднажмёшь.