§ 15. Сила трения покоя. Лабораторная работа «Изучение силы трения покоя»

Определения и обозначения

Сила трения покоя — сила, возникающая при соприкосновении тел и препятствующая началу их относительного движения. Она направлена вдоль поверхности соприкосновения. Благодаря этой силе, например, предмет не сдвигается по столу от слабого толчка.

Сила трения покоя может изменяться по модулю, то есть по числовому значению. Она подстраивается под внешнюю силу: чем сильнее тянут неподвижный предмет, тем сильнее становится трение, пока предмет не начал двигаться. Это объясняет, почему нельзя заранее приписать трению одно неизменное значение.

Максимальная сила трения покоя — наибольшее значение трения, которое возникает непосредственно перед началом скольжения; её также называют предельной силой трения покоя. Если внешнее воздействие превышает этот предел, удержать тело в покое уже не удаётся. Именно это значение находят в лабораторном опыте.

Как это устроено

Представим брусок на горизонтальном столе. Если потянуть его вправо, поверхность стола препятствует тому, чтобы нижняя сторона бруска начала скользить вправо, поэтому возникает сила трения покоя, направленная влево. Пока брусок не движется, горизонтальные силы уравновешены. Значит, приложенная сила сама по себе ещё не гарантирует движения тела.

Увеличим силу, тянущую брусок, но не настолько, чтобы он сдвинулся. Трение покоя тоже станет больше и снова уравновесит тягу, поэтому брусок останется на месте. Причина в том, что трение покоя не задаётся заранее постоянной величиной, а возникает в ответ на попытку сдвинуть соприкасающиеся поверхности. Для неподвижного бруска при одной горизонтальной тяге силы равны по модулю и противоположны по направлению.

Однако способность поверхностей удерживать брусок не безгранична. При достаточно большой тяге трение покоя достигает своего максимума, и дальнейшее увеличение внешней силы нарушает равновесие. Тогда брусок начинает скользить: сила, которая удерживала его неподвижным, уже не может уравновесить тягу. Поэтому максимальное значение относят к моменту прямо перед началом движения.

Максимальная сила трения покоя зависит от материалов соприкасающихся тел и состояния поверхностей: например, гладкие и шероховатые поверхности взаимодействуют по-разному. Она также зависит от силы прижатия — силы, с которой одно тело давит на другое. Если прижать брусок сильнее, его поверхности труднее сдвинуть друг относительно друга. Поэтому с дополнительным грузом предельное трение обычно увеличивается.

В лабораторной работе брусок закрепляют на поверхности, соединяют с динамометром и постепенно увеличивают силу тяги. Динамометр показывает силу, с которой тянут брусок, а в момент начала движения это показание оценивает максимальную силу трения покоя. Опыт повторяют, изменив нагрузку на брусок или поверхность, и сравнивают результаты. Тянуть нужно постепенно, иначе легко пропустить момент начала скольжения и получить менее точное значение.

Сила трения покоя: условия и свойства

Таблица помогает быстро отличить обычное значение силы трения покоя от её максимума и вспомнить, что именно измеряют в опыте. При решении задачи сначала выясни, движется ли тело, а затем определи, достигнуто ли предельное значение. Если речь идёт о лабораторном измерении, ориентируйся на момент начала скольжения.

Разбор задач

Задача 1. Брусок покоится на столе. К нему приложили горизонтальную силу 2 Н. Определите силу трения покоя. Нужно учесть, что брусок не ускоряется, а других горизонтальных сил, кроме тяги и трения, в условии нет.

1. Поскольку брусок покоится, равнодействующая сил по горизонтали равна нулю.
2. Сила тяги равна 2 Н, поэтому сила трения должна уравновесить её и быть направлена противоположно.
3. Следовательно, модуль силы трения покоя равен 2 Н.

Ответ: 2 Н, в сторону, противоположную приложенной силе. Такой вывод верен, пока брусок остаётся неподвижным.

Задача 2. Брусок остаётся неподвижным, когда его тянут силой 3 Н, но начинает скользить при силе 4 Н. Оцените максимальную силу трения покоя. Важно использовать не любую силу, приложенную к бруску, а значение у самого начала движения.

1. При тяге 3 Н брусок покоится, значит, трение ещё уравновешивает эту силу и не достигло предела.
2. При тяге 4 Н начинается скольжение. Значит, предельное значение было достигнуто примерно в этот момент.
3. По показанию силы начала движения оцениваем максимальную силу трения покоя как 4 Н.

Ответ: примерно 4 Н. Это оценка: результат зависит от точности динамометра и от того, насколько точно удалось заметить начало движения.

Задача 3. Опыт повторили с тем же бруском на той же поверхности, но добавили груз. Сравните максимальные силы трения покоя. Сравнивать нужно значения, измеренные непосредственно перед началом скольжения, а не силу трения при любом состоянии покоя.

1. Дополнительный груз сильнее прижимает брусок к поверхности.
2. При большем прижатии максимальная сила трения покоя обычно возрастает, поэтому брусок приходится тянуть сильнее.
3. Сравните показания динамометра в момент начала движения в обоих опытах: соотношение показаний покажет изменение предельной силы.

Ответ: с грузом максимальная сила трения покоя обычно больше. Точное изменение устанавливают по измерениям, поскольку на них влияет точность опыта.

Типичные ошибки

Ошибка: считать силу трения покоя постоянной. Так думают, потому что часто запоминают одно число для конкретной задачи. Но трение меняется вместе с внешней силой, пока тело не движется. Проверь себя: если тяга стала сильнее, а тело осталось на месте, трение должно уравновесить новую тягу.

Ошибка: направлять трение туда же, куда приложенную силу. Путают направление воздействия и направление сопротивления возможному сдвигу. Сила трения покоя направлена против того относительного движения, которое началось бы без неё. Нарисуй стрелку тяги, а затем спроси себя, в какую сторону поверхности пытались бы скользить.

Ошибка: считать, что трение покоя всегда максимально. Максимум достигается лишь перед началом скольжения, а при слабой тяге трение меньше. Проверка проста: если брусок неподвижен при небольшой силе, это не означает, что он вот-вот сдвинется. Не приравнивай обычную силу трения к предельной без сведений о начале движения.

Ошибка: брать показание динамометра после начала движения. После сдвига бруска измерение уже не показывает силу в момент предельного равновесия. Эту ошибку допускают, если тянут слишком резко или не следят за бруском. Для проверки повтори опыт медленно и запиши показание в тот момент, когда брусок только начинает скользить.

Связь с другими темами

Для понимания силы трения покоя нужно знать, что такое сила, как изображать её стрелкой и как складывать силы, действующие на тело. Это помогает объяснить, почему неподвижный брусок может испытывать сразу тягу и трение, но не двигаться: силы уравновешены. Тема также связана с условиями равновесия тел, которые позволяют находить неизвестную силу по известным. Дальше эти знания пригодятся при изучении трения скольжения и движения тел под действием нескольких сил.

Что запомнить

• Сила трения покоя возникает между соприкасающимися телами.
• Она направлена против возможного относительного движения поверхностей.
• Пока тело покоится, сила трения покоя уравновешивает действующую вдоль поверхности силу.
• Сила трения покоя изменяется и не всегда равна своему максимальному значению.
• У силы трения покоя есть максимальное значение; после его превышения начинается скольжение.
• Максимальную силу трения покоя определяют в опыте по силе, при которой тело начинает двигаться.