"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под редакцией Орлова В.А.
Силы трения возникают при соприкосновении тел или движении тела в жидкости и газе. Трение покоя не даёт телу начать скользить, трение качения сопротивляется движению колеса, а среда тормозит падающие и движущиеся тела. Для каждого случая используют свою модель и расчётную зависимость. Понимание этих сил помогает объяснить работу колёс, тормозов, парашютов и многих механизмов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Трение покоя — сила, препятствующая началу относительного движения соприкасающихся тел. Её значение изменяется от нуля до максимального: 0 ≤ Fтр.покоя ≤ Fmax. Это объясняет, почему тело может оставаться неподвижным под действием небольшой внешней силы.
Трение качения — сопротивление движению тела, которое катится по поверхности. Его обычно рассчитывают по формуле Fкач = kкачN, где N — нормальная реакция опоры. Такая модель нужна для описания движения колёс, роликов и шариков.
Сила сопротивления среды — сила, действующая на движущееся тело со стороны жидкости или газа. Она направлена противоположно скорости тела. С её помощью описывают торможение автомобиля воздухом, движение лодки в воде и падение человека.
Коэффициент трения качения — величина, характеризующая сопротивление качению данных тел по данным поверхностям. В обозначении kкач он связывает силу сопротивления с нормальной реакцией: Fкач = kкачN. Чем больше этот коэффициент, тем труднее катить тело.
Сила трения покоя возникает даже без видимого движения, потому что соприкасающиеся поверхности имеют неровности и участки сцепления. Когда к телу прикладывают силу, эти микроскопические связи не дают поверхностям сразу начать скользить. Трение направляется так, чтобы компенсировать тенденцию к относительному движению.
Трение покоя не имеет одного постоянного значения, поскольку его задача — поддерживать равновесие при разных внешних силах. Если ящик тянут с силой 10 Н, трение также равно 10 Н, но направлено в противоположную сторону. При увеличении тяги трение растёт, пока не достигнет Fmax; после этого начинается скольжение.
При качении точка соприкосновения колеса с поверхностью почти не скользит, поэтому сопротивление обычно гораздо меньше трения скольжения. Главная причина сопротивления — деформация колеса и дороги: перед колесом образуется небольшое препятствие, а часть энергии расходуется на изменение формы. Чем мягче и сильнее деформируются материалы, тем больше сопротивление.
Сила сопротивления жидкости или газа определяется не одной причиной. При увеличении скорости тело сильнее сталкивается с частицами среды и возмущает больший объём жидкости или газа. На сопротивление также влияют форма и размеры тела, плотность, вязкость и другие свойства среды.
Сопротивление среды направлено против скорости, потому что оно уменьшает относительное движение тела и окружающей среды. При падении вниз оно направлено вверх, но при движении вверх будет направлено вниз. По мере разгона сопротивление может вырасти до силы тяжести или другой движущей силы, после чего равнодействующая станет нулевой и скорость перестанет изменяться.
| Свойство | Трение покоя | Трение качения | Сопротивление среды |
|---|---|---|---|
| Когда возникает | При попытке сдвинуть соприкасающиеся тела | При качении колеса или цилиндра | При движении тела в жидкости или газе |
| Направление силы | Против возможного скольжения | Против направления качения | Против скорости тела |
| Условие равновесия или движения | F ≤ Fmax: тело покоится | Движущая сила уравновешивается сопротивлением | При равенстве сил движение равномерное |
| От чего зависит сила | От внешней силы и свойств поверхностей | От нагрузки, деформаций и поверхностей | От скорости, формы, размеров и среды |
| Основная расчётная зависимость | Fтр.покоя ≤ Fmax | Fкач = kкачN | Fсопр зависит от v и условий движения |
| Пример применения | Удержание ящика на полу | Движение тележки на колёсах | Падение парашютиста |
Сначала определите, есть ли скольжение, качение или движение в среде. Затем выберите направление силы и только после этого подставляйте величины в подходящую зависимость. Для равновесия или равномерного движения сравнивают силы и находят их равнодействующую.
В таблице символ N обозначает нормальную реакцию опоры, а v — скорость тела. Максимальная сила трения покоя задаётся условиями контакта, тогда как сопротивление среды часто меняется вместе со скоростью.
Ящик массой 20 кг стоит на горизонтальном полу. К нему прикладывают горизонтальную силу 30 Н, а максимальная сила трения покоя равна 50 Н. Нужно определить силу трения и состояние ящика.
Ответ: сила трения равна 30 Н; ящик остаётся неподвижным.
Тележка массой 100 кг катится по горизонтальной дороге. Коэффициент трения качения равен 0,02. Требуется найти силу сопротивления качению.
Ответ: сила сопротивления качению равна 19,6 Н, примерно 20 Н.
Парашютист падает с раскрытым парашютом. Нужно объяснить, почему сначала его скорость изменяется, а через некоторое время становится постоянной.
Ответ: постоянная скорость устанавливается при равенстве силы сопротивления воздуха и силы тяжести.
Ошибка: считать, что сила трения покоя всегда равна максимальной. Так думают, потому что в задачах часто дана именно предельная сила, но до начала движения трение подстраивается под внешнее воздействие. Проверьте себя: если тело покоится, сначала сравните внешнюю силу с Fmax и при равновесии положите Fтр.покоя = Fвнеш.
Ошибка: применять формулу трения скольжения к катящемуся телу. Эти виды сопротивления связаны с разными процессами: при скольжении поверхности движутся друг по другу, а при качении главным образом деформируются. Проверьте наличие вращения колеса и используйте для качения формулу Fкач = kкачN.
Ошибка: направлять сопротивление среды всегда вертикально вверх. Такое направление верно только для тела, падающего вниз, а сила сопротивления в общем случае противоположна скорости. Проверьте направление стрелки скорости и направьте силу в обратную сторону.
Ошибка: считать сопротивление среды постоянным. Обычно оно меняется при изменении скорости и зависит от формы тела, его размеров и свойств среды. Проверьте условие задачи: если скорость меняется, сопротивление, как правило, тоже нельзя считать неизменным без специального указания.
Для изучения темы нужны второй закон Ньютона, сила тяжести и реакция опоры. Важно различать массу и вес: в формуле N = mg на горизонтальной опоре используется масса тела и ускорение свободного падения.
Эти знания применяются при изучении равновесия, движения транспорта, работы механизмов, падения тел и движения в жидкостях и газах. Они помогают выбирать силы, строить их направления и объяснять установившееся движение.
С трением скольжения тему следует сравнивать по трём признакам: условия возникновения, направление силы и способ расчёта. Такое сравнение не позволяет переносить формулу одного вида сопротивления на другой.
Почему тело не движется, хотя к нему приложена сила?
Приложенной силе противодействует сила трения покоя. Пока внешняя сила не превышает её максимальное значение, тело остаётся неподвижным.
Всегда ли сила трения покоя равна максимальной?
Нет. Она принимает ровно такое значение, которое нужно для равновесия тела, и становится максимальной только непосредственно перед началом скольжения.
Почему колёса уменьшают сопротивление движению?
При качении поверхности в основном деформируются, а не скользят друг по другу. Поэтому сопротивление обычно намного меньше, чем при скольжении.
От чего зависит сопротивление воздуха?
Оно зависит от скорости тела, его формы и размеров, а также от плотности и других свойств воздуха. При увеличении скорости сопротивление обычно возрастает.
Почему падающее тело через некоторое время начинает двигаться с постоянной скоростью?
При падении сопротивление воздуха увеличивается вместе со скоростью. Когда оно становится равным силе тяжести, равнодействующая сил равна нулю, и тело продолжает падать равномерно.
3. Другие виды сил трения
