"Физика", Андрюшечкин С.М.
Когда одно тело скользит по поверхности другого, их движение встречает сопротивление — силу трения скольжения. Она направлена против движения относительно поверхности и зависит от того, какие поверхности соприкасаются и с какой силой тело прижато к опоре. Связь силы трения с нормальной реакцией описывает формула Fтр = μN. С ней можно решать задачи и проводить опыт: измерять трение динамометром, менять нагрузку и сравнивать поверхности.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сила трения скольжения — сила, возникающая при скольжении одного тела по поверхности другого. Её обозначают Fтр, а направлена она против движения тела относительно поверхности. Это обозначение помогает выделить трение среди других сил и учитывать его при решении задач о движении.
Коэффициент трения скольжения — безразмерная величина μ, характеризующая соприкасающиеся поверхности. Он входит в формулу Fтр = μN и показывает, насколько сильно эти поверхности сопротивляются скольжению. Коэффициент находят экспериментально; единиц измерения у него нет.
Сила нормальной реакции опоры — сила N, с которой опора действует на тело перпендикулярно поверхности. Слово «нормальная» здесь означает «перпендикулярная». Эта сила нужна для расчёта трения: в формуле Fтр = μN берут именно N, а не массу тела.
Поверхности кажутся гладкими, но при увеличении можно заметить на них неровности. При соприкосновении эти неровности цепляются друг за друга, а частицы поверхностей взаимодействуют. Поэтому для скольжения тела приходится прикладывать силу, преодолевающую сопротивление, — возникает сила трения.
Сила трения действует вдоль поверхности соприкосновения. Её направление противоположно движению тела относительно этой поверхности: если брусок скользит вправо по столу, трение направлено влево. Это не обязательно означает, что трение противоположно приложенной силе тяги: направление определяют по движению, а не по тому, кто тянет тело.
Если поверхности одинаковы, но тело сильнее прижать к опоре, их неровности прижмутся друг к другу плотнее. Обычно из-за этого скольжению будет труднее, а сила трения станет больше. Эту зависимость описывает формула Fтр = μN: при неизменном μ увеличение N приводит к увеличению Fтр.
Коэффициент μ зависит от материалов и состояния поверхностей: например, дерево по дереву скользит не так, как металл по льду. Его нельзя получить из одной только массы, потому что масса не сообщает, какие именно поверхности соприкасаются. Значение μ находят экспериментально, сравнивая измеренную силу трения с нормальной реакцией опоры.
В лабораторной работе брусок тянут по поверхности динамометром и добиваются равномерного движения. Тогда ускорения нет, а приложенная сила уравновешивает трение, поэтому показание прибора даёт силу трения. Меняя нагрузку на бруске, проверяют, как меняется трение при увеличении N; меняя поверхность, сравнивают коэффициенты для разных материалов.
В таблице собраны обозначения, единицы и смысл величин, нужных для описания скольжения. Сначала определите, какие силы действуют на тело, затем найдите N и только после этого применяйте формулу трения. Направление силы трения устанавливайте отдельно — по движению относительно поверхности.
| Величина или характеристика | Обозначение | Единица измерения | Что показывает |
|---|---|---|---|
| Сила трения скольжения | Fтр | Н | Сопротивление скольжению одного тела по поверхности другого |
| Сила нормальной реакции опоры | N | Н | Силу действия опоры на тело перпендикулярно поверхности |
| Коэффициент трения скольжения | μ | Безразмерная величина | Зависимость трения от материалов и состояния поверхностей |
| Связь силы трения с нормальной реакцией | Fтр = μN | Н | Как сила трения зависит от μ и силы прижатия N |
| Направление силы трения | — | — | Вдоль поверхности, против движения тела относительно неё |
Задача 1. Брусок равномерно тянут по горизонтальному столу динамометром, который показывает 2 Н. Найти силу трения скольжения. Равномерное движение означает, что горизонтальные силы уравновешены, поэтому сила тяги равна силе трения.
Ответ: сила трения скольжения равна 2 Н.
Задача 2. На горизонтальном столе лежит брусок массой 3 кг, коэффициент трения равен 0,2. Найти силу трения, приняв g = 10 Н/кг. Сначала нужно определить не силу тяжести по догадке, а нормальную реакцию опоры, которая входит в формулу Fтр = μN.
Ответ: сила трения равна 6 Н.
Задача 3. При равномерном протягивании бруска динамометр показывает 1,5 Н. Масса бруска с грузом — 0,75 кг, g = 10 Н/кг. Найти коэффициент трения. Равномерность движения позволяет принять показание прибора за Fтр, а массу использовать для нахождения N.
Ответ: коэффициент трения скольжения равен 0,2.
Считать, что трение всегда направлено против силы тяги, — ошибка: направление силы определяют относительно движения тела по поверхности. Так думают, потому что тяга и трение часто направлены в разные стороны в простых задачах. Проверьте, куда движется тело относительно опоры, и направьте трение противоположно этому движению.
Подставлять массу вместо нормальной реакции в Fтр = μN нельзя: масса измеряется в килограммах, а N — сила в ньютонах. Ошибка возникает, когда букву N принимают за обозначение массы, хотя здесь она означает реакцию опоры. Проверьте единицы и сначала найдите N по условиям задачи, например N = mg для тела на горизонтальном столе.
Применять формулу Fтр = μN, не выяснив значение N, — значит пропустить часть решения. Часто предполагают, что реакция опоры всегда равна силе тяжести, но это верно не при любых действующих силах и условиях. Нарисуйте силы и проверьте, есть ли вертикальное ускорение или дополнительные вертикальные воздействия, прежде чем использовать N = mg.
Показание динамометра при ускоренном движении не всегда равно силе трения: часть тяги может идти на разгон бруска. Это равенство используют в лабораторной работе при равномерном перемещении, когда горизонтальные силы уравновешены. Перед выводом сравните условие движения: если скорость меняется, одной силы тяги недостаточно, чтобы определить трение.
Для изучения трения нужны знания о силах, массе, весе тела и нормальной реакции опоры. Также важно уметь пользоваться динамометром: он измеряет силу в ньютонах. Эти понятия помогают понять, почему при расчёте трения используют силу прижатия, а не массу напрямую.
Трение помогает объяснять равновесие и движение тел, а также силы сопротивления. В технике и быту его стараются менять под задачу: например, делают поверхности более цепкими или, наоборот, уменьшают сопротивление скольжению. Понимание зависимости Fтр = μN позволяет связать такие решения с материалом поверхностей и силой прижатия.
Почему сила трения направлена против движения?
Неровности соприкасающихся поверхностей и взаимодействие их частиц мешают телу скользить. Поэтому сила трения действует вдоль поверхности против движения тела относительно неё.
От чего зависит коэффициент трения скольжения?
Коэффициент μ зависит от материалов и состояния соприкасающихся поверхностей, например от их шероховатости. Его находят экспериментально: нельзя определить его только по массе тела.
Как определить силу нормальной реакции опоры на горизонтальном столе?
Если тело покоится или движется без ускорения по горизонтали и на него не действуют другие вертикальные силы, N = mg. Нужно умножить массу тела на ускорение свободного падения g.
Почему в лабораторной работе брусок нужно тянуть равномерно?
При равномерном движении ускорения нет, поэтому сила тяги уравновешивает силу трения. Тогда показание динамометра можно принять за силу трения скольжения.
Как по показанию динамометра найти коэффициент трения?
При равномерном протягивании показание динамометра равно силе трения. Найдите нормальную реакцию опоры, а затем вычислите μ = Fтр/N.
§14. Сила трения скольжения. Лабораторная работа «Изучение силы трения скольжения»
