"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.
Сила трения возникает при соприкосновении тел и мешает их относительному движению или его началу. Она помогает нам ходить, удерживать предметы и тормозить, но вызывает износ деталей и потери энергии в механизмах. Различают трение покоя, скольжения и качения. Для расчётов особенно важны направление силы трения, её максимальное значение и связь силы трения скольжения с нормальной реакцией поверхности.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сила трения — сила, возникающая при соприкосновении тел и препятствующая их относительному движению или его возникновению. Её обозначают Fтр, а направляют вдоль поверхности контакта против скольжения или попытки скольжения. Это помогает определить, какую силу нужно учитывать в уравнении движения.
Сила трения покоя не даёт соприкасающимся телам начать скользить друг относительно друга. Её величина не постоянна: она принимает нужное значение, равное приложенной сдвигающей силе, пока тело остаётся в покое. Существует максимальная сила трения покоя, после которой начинается скольжение.
Сила трения скольжения возникает, когда одно тело уже скользит по поверхности другого. Приближённо её находят по формуле Fтр = μN, где μ — коэффициент трения, а N — сила нормальной реакции опоры. Направлена она вдоль поверхности противоположно относительной скорости.
Коэффициент трения μ — безразмерная величина, характеризующая взаимодействие соприкасающихся поверхностей. При одинаковой нормальной реакции большая μ означает большую силу трения скольжения. Поэтому коэффициент связывает свойства материалов с расчётной формулой Fтр = μN.
Даже гладкие на вид поверхности имеют микроскопические неровности. При контакте выступы цепляются друг за друга, а молекулы соприкасающихся веществ притягиваются в местах контакта. При попытке сдвинуть тела эти связи и зацепления приходится разрушать, поэтому возникает сопротивление движению. Сила трения зависит от материала, шероховатости, чистоты и наличия смазки.
Если к неподвижному бруску приложить небольшую горизонтальную силу, он не сдвинется, потому что сила трения покоя уравновесит её. При увеличении внешней силы трение покоя также увеличивается, сохраняя нулевую равнодействующую по горизонтали. Однако сцепление неровностей не может усиливаться бесконечно. Когда приложенная сила достигает предельного значения, брусок начинает скользить.
Во время скольжения отдельные участки поверхности непрерывно сталкиваются и разрушаются, поэтому сопротивление сохраняется. В обычных школьных задачах силу трения скольжения считают примерно пропорциональной силе нормальной реакции: Fтр = μN. Чем сильнее поверхности прижаты друг к другу, тем больше взаимодействующих участков и тем больше трение. Коэффициент μ определяется материалами и обработкой поверхностей, а не массой тела как таковой.
Трение покоя возникает без относительного скольжения, трение скольжения — при скольжении, а трение качения — когда тело катится по опоре. При качении контактная область деформируется, но поверхности обычно не срезают друг друга, как при скольжении. Поэтому сопротивление качению обычно меньше силы трения скольжения. Направление трения определяется не движением тела относительно земли, а относительным движением или его возможностью в месте контакта.
В таблице сопоставлены три вида трения. Сначала определите, есть ли скольжение или качение, затем выберите подходящую строку для оценки направления и величины силы. Формула Fтр = μN относится прежде всего к трению скольжения.
| Свойство | Трение покоя | Трение скольжения | Трение качения |
|---|---|---|---|
| Когда возникает | Есть контакт, но скольжения ещё нет | Одно тело скользит по поверхности другого | Тело катится по опоре |
| Направление силы | Против возможного скольжения | Против относительной скорости | Против движения в области контакта |
| От чего зависит величина | От приложенной силы, свойств и состояния поверхностей | От μ и силы N | От деформации, радиуса и свойств колеса и опоры |
| Связь с силой нормальной реакции | Предельная сила возрастает с увеличением прижатия | Приближённо Fтр = μN | Сопротивление обычно возрастает с N |
| Характерное сравнение величин | Не превышает предельного значения | Обычно больше трения качения | Обычно меньше трения скольжения |
На неподвижный брусок на горизонтальном столе действуют горизонтальной силой 3 Н. Найдём силу трения, если брусок остаётся в покое.
Ответ: сила трения покоя равна 3 Н и направлена против приложенной силы.
Брусок массой 4 кг скользит по горизонтальной поверхности, μ = 0,25. Требуется найти силу трения при g = 10 Н/кг.
Ответ: сила трения скольжения равна 10 Н и направлена против движения бруска относительно стола.
Брусок массой 5 кг тянут горизонтальной силой 20 Н по поверхности с μ = 0,3. Найдём ускорение при g = 10 Н/кг.
Ответ: ускорение бруска равно 1 м/с² и направлено в сторону силы тяги.
Ошибка: считать силу трения покоя всегда максимальной. Так делают, потому что запоминают предельное значение вместо общего свойства. Проверка проста: если тело покоится, сравните трение с фактической силой, пытающейся его сдвинуть, а не сразу подставляйте максимум.
Ошибка: направлять трение всегда против движения тела. Причина — смешение движения относительно земли с относительным движением в контакте. Нарисуйте, какая поверхность скользит или может начать скользить относительно другой, и направьте силу против этого движения.
Ошибка: подставлять в формулу силу тяжести вместо N. На горизонтальной поверхности без дополнительных вертикальных сил mg и N действительно равны, поэтому правило кажется универсальным. На наклонной плоскости или при других силах сначала найдите нормальную реакцию.
Ошибка: считать коэффициент трения силой с единицами измерения. Коэффициент лишь показывает, во сколько раз сила трения связана с реакцией опоры, поэтому он безразмерен. Проверьте запись: в формуле Fтр = μN единицы силы появляются только у N и результата.
Для изучения трения нужны понятия силы, равнодействующей, силы тяжести и нормальной реакции опоры. При решении задач важно уметь изображать силы и применять законы Ньютона к выбранному направлению.
Силы трения учитывают при движении тел по поверхностям, торможении, равновесии и работе механизмов. Они объясняют как полезное сцепление колёс с дорогой, так и износ деталей и потери энергии.
Почему сила трения покоя может быть разной?
Она подстраивается под внешнюю силу, стремящуюся сдвинуть тело. Пока тело остаётся неподвижным, сила трения покоя равна этой силе по модулю, но не может превышать предельное значение.
Всегда ли сила трения направлена против движения тела?
Нет. Она направлена против относительного движения соприкасающихся поверхностей или против возможного начала скольжения. Поэтому сила трения иногда может быть направлена в ту же сторону, что и движение тела относительно земли.
Как найти силу нормальной реакции на наклонной плоскости?
Если других сил, перпендикулярных плоскости, нет, при угле наклона α сила нормальной реакции равна N = mg cos α. При наличии дополнительных вертикальных или наклонных сил нужно спроецировать все силы на направление, перпендикулярное плоскости, и использовать равновесие.
От чего зависит коэффициент трения?
Он зависит от материалов соприкасающихся тел и состояния поверхностей: шероховатости, чистоты, наличия смазки и других условий. Коэффициент является безразмерной величиной и определяется экспериментально.
Почему трение качения обычно меньше трения скольжения?
При качении поверхности не срезают друг друга так сильно, как при скольжении. Основные потери связаны с деформацией колеса и опоры, поэтому сопротивление качению обычно меньше.
§ 9. Силы трения
