Коротко
Сила трения скольжения — это сила, которая возникает при движении одного тела по поверхности другого и направлена против направления движения. Она мешает телам скользить друг по другу и зависит от материала поверхностей и силы, с которой тела прижимаются друг к другу. Именно эта сила заставляет предмет остановиться, если его толкнуть, или позволяет нам ходить, не поскальзываясь на ровной дороге.
Определение
Сила трения скольжения — это сила, возникающая при относительном движении (скольжении) двух контактирующих тел, которая препятствует этому движению и направлена противоположно вектору скорости скользящего тела.
Формула
Fтр = μ ⋅ N
- Fтр — сила трения скольжения
- μ — коэффициент трения скольжения
- N — сила нормального давления (сила реакции опоры)
Единицы измерения: ньютон (Н)
Как возникает сила трения скольжения
Поверхности тел, даже если они кажутся гладкими, на самом деле имеют микроскопические неровности, выступы и впадины. Когда одно тело скользит по другому, эти неровности цепляются друг за друга, создавая сопротивление движению. Кроме того, между молекулами контактирующих поверхностей возникают силы притяжения, которые также нужно преодолеть, чтобы сдвинуть тело. Совокупность этих явлений и проявляется как сила трения скольжения.
От чего зависит сила трения скольжения
Сила трения скольжения зависит от двух основных факторов: свойств соприкасающихся поверхностей и силы, с которой эти поверхности прижимаются друг к другу. Свойства поверхностей учитывает коэффициент трения скольжения (μ) — это безразмерная величина, которая показывает, насколько «цепкими» или «скользкими» являются материалы. Чем шероховатее поверхности и чем сильнее они прижимаются друг к другу (то есть больше сила нормального давления N), тем больше будет сила трения скольжения.
Направление силы трения
Сила трения скольжения всегда направлена в сторону, противоположную направлению относительного движения тел. Если вы толкаете ящик вправо, то сила трения, действующая на ящик со стороны пола, будет направлена влево. Это всегда сила, которая стремится замедлить или остановить движение, и никогда не способствует ему. Именно поэтому для перемещения объектов приходится преодолевать эту силу.
Как найти и применять
- Определите, какое тело движется и в каком направлении.
- Найдите силу нормального давления (N). Часто это вес тела, если оно лежит на горизонтальной поверхности, или сила, с которой тело прижимается к поверхности.
- Определите коэффициент трения скольжения (μ) для данных материалов. Обычно он даётся в задаче или находится в справочнике.
- Умножьте коэффициент трения скольжения на силу нормального давления: Fтр = μ ⋅ N.
- Укажите направление силы трения: оно всегда противоположно направлению движения.
Разбор задач
Задача 1
Деревянный брусок массой 2 кг равномерно движется по горизонтальной деревянной доске. Коэффициент трения скольжения между деревом и деревом равен 0,3. Какова сила трения скольжения, действующая на брусок? (Ускорение свободного падения g = 10 м/с²)
1. Масса бруска m = 2 кг. 2. Поскольку брусок движется по горизонтальной поверхности, сила нормального давления N равна силе тяжести: N = m ⋅ g = 2 кг ⋅ 10 м/с² = 20 Н. 3. Коэффициент трения скольжения μ = 0,3. 4. Вычислим силу трения: Fтр = μ ⋅ N = 0,3 ⋅ 20 Н = 6 Н. 5. Направление силы трения: противоположно направлению движения бруска.
Ответ: Сила трения скольжения равна 6 Н.
Где это встречается
- Тормозные системы автомобиля — При торможении тормозные колодки прижимаются к вращающимся дискам или барабанам, создавая большую силу трения скольжения, которая замедляет вращение колёс и, следовательно, автомобиль.
- Ходьба человека — Когда мы шагаем, подошвы нашей обуви испытывают силу трения скольжения о землю. Эта сила препятствует проскальзыванию ноги назад и позволяет нам отталкиваться от поверхности, двигаясь вперёд.
- Спуск на коньках или лыжах — Льду и снегу свойственен очень низкий коэффициент трения, что обеспечивает скольжение коньков и лыж с минимальным сопротивлением. Однако и здесь присутствует небольшая сила трения скольжения, которая постепенно замедляет движение.
- Ленточные конвейеры — Материалы (например, руда, песок) перемещаются на конвейерных лентах благодаря силе трения скольжения между материалом и движущейся лентой. Если бы трение было слишком низким, материал бы просто соскальзывал.
Типичные ошибки
| Неверно | Верно | Почему |
|---|---|---|
| Сила трения всегда зависит от площади соприкосновения поверхностей. | Сила трения скольжения практически не зависит от площади контакта, если сила нормального давления остаётся постоянной. Она зависит только от коэффициента трения и силы нормального давления. | Интуитивно кажется, что чем больше площадь, тем больше трение, но на самом деле увеличение площади уменьшает давление на единицу площади, что компенсирует эффект. |
| Сила трения всегда равна силе, которая тянет тело. | Сила трения скольжения появляется только тогда, когда тело движется или пытается двигаться. Она равна приложенной силе только в случае равномерного движения или когда тело находится в покое (тогда это сила трения покоя). | Путают силу трения скольжения с силой трения покоя или считают, что трение всегда противодействует любой внешней силе, даже если её недостаточно для движения. |
| Коэффициент трения — это всегда постоянная величина. | Коэффициент трения зависит от многих факторов, включая материалы поверхностей, их чистоту, температуру и даже наличие смазки. Он может немного меняться даже для одной пары материалов. | В школьных задачах коэффициент трения часто даётся как постоянная величина, что создаёт ложное впечатление о его абсолютной неизменности. |
Не путать
- Сила трения покоя — Сила трения покоя возникает между покоящимися друг относительно друга телами, когда на них действует внешняя сила, пытающаяся сдвинуть их. Она равна этой внешней силе (до определённого предела) и препятствует началу движения. Сила трения скольжения действует только тогда, когда тела уже движутся друг относительно друга.
- Сила тяжести — Сила тяжести — это сила притяжения Земли, действующая на любое тело и направленная вертикально вниз. Сила трения скольжения — это сила взаимодействия между поверхностями, направленная против движения и параллельно этим поверхностям. Они принципиально разные по природе и направлению.
- Сила реакции опоры (нормальная сила) — Сила реакции опоры — это сила, с которой поверхность опоры действует на тело перпендикулярно этой поверхности. Она уравновешивает часть или всю силу, прижимающую тело к опоре. Сила трения скольжения, в свою очередь, пропорциональна силе реакции опоры, но направлена параллельно поверхности.
Откуда взялось понятие
Основные законы трения скольжения были экспериментально установлены французским физиком Гийомом Амонтоном в конце XVII века и позднее уточнены Шарлем Огюстеном Кулоном в XVIII веке.
Как запомнить
Трение скольжения — это сопротивление, которое мешает скользить и всегда направлено назад.
Проверь себя
4 задания-
Если на горизонтальной поверхности лежит кирпич и вы его толкаете, но он не движется, какая сила трения действует в этом случае: трения покоя или трения скольжения?
Ответ
Сила трения покоя. -
Каково направление силы трения скольжения, если тележка катится по полу вправо?
Ответ
Сила трения направлена влево, против движения. -
Что произойдет с силой трения скольжения, если увеличить массу тела, движущегося по горизонтальной поверхности, при неизменном коэффициенте трения?
Ответ
Сила трения скольжения увеличится, так как увеличится сила нормального давления. -
Зависит ли сила трения скольжения от скорости движения тела?
Ответ
В большинстве случаев в школьной физике считается, что сила трения скольжения не зависит от скорости, хотя в реальности при очень высоких скоростях зависимость может проявляться.
Частые вопросы
Почему коэффициент трения не имеет единиц измерения?
Коэффициент трения — это отношение двух сил (силы трения и силы нормального давления), которые измеряются в одних и тех же единицах (ньютонах). Когда мы делим ньютоны на ньютоны, единицы сокращаются, и величина становится безразмерной.
Всегда ли сила трения вредна?
Нет, сила трения не всегда вредна. Без неё мы не смогли бы ходить, ездить на автомобилях (шины бы проскальзывали), тормозить или держать предметы в руках. Во многих случаях трение необходимо и полезно.
Можно ли полностью избавиться от трения?
Полностью избавиться от трения в реальных условиях невозможно, так как всегда остаются микроскопические неровности и межмолекулярные взаимодействия. Однако его можно значительно уменьшить, используя смазки, полировку поверхностей или создавая воздушные или магнитные подушки.
Почему сила трения скольжения практически не зависит от площади контакта?
Когда площадь контакта увеличивается, общая сила, прижимающая тела друг к другу, распределяется на большую поверхность. Это означает, что давление на каждый отдельный микроскопический выступ уменьшается. В результате, несмотря на большую площадь, количество и прочность связей между поверхностями в целом остаются примерно теми же, что компенсирует эффект увеличения площади.
Спросить про это понятие
Сила трения скольжения
Где это изучается
10 параграфовОдна и та же тема разложена по разным учебникам — можно сравнить формулировки и выбрать более понятную.
Понятия рядом
Их разбирают в тех же параграфах, что и это понятие.