"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 3 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч. 1); Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., под ред. Орлова В.А. (ч. 2); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 3)
Сила трения возникает при соприкосновении тел и препятствует их относительному движению или его началу. Она помогает человеку ходить, удерживает предметы на поверхности и позволяет тормозить транспорт. Различают трение покоя, скольжения и качения. Для первых двух видов важно правильно определить направление силы и выбрать формулу: сила трения покоя подстраивается под внешнее воздействие, а при скольжении обычно равна μN.
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 началу. Её обозначают Fтр и измеряют в ньютонах. Это понятие позволяет учитывать сопротивление контакта в задачах о движении и равновесии.
Сила трения покоя — сила, препятствующая началу скольжения и принимающая значение от нуля до максимального. Она обозначается Fтр, а её предел — Fтр max = μN. Такое определение нужно, чтобы не считать трение при неподвижном теле постоянным: оно подстраивается под внешнее воздействие.
Сила трения скольжения действует, когда одно тело скользит по поверхности другого; её модуль обычно вычисляют по формуле Fтр = μN. Здесь μ — коэффициент трения, зависящий от материалов и состояния поверхностей, а N — сила нормальной реакции опоры. Формула помогает найти сопротивление движению после начала скольжения.
Сила трения качения — сопротивление движению тела, которое катится по поверхности. Обычно она значительно меньше силы трения скольжения. Это объясняет, зачем используют колёса, ролики и подшипники.
Даже гладкие на вид поверхности имеют микроскопические неровности. При контакте выступы цепляются друг за друга, а частицы соприкасающихся материалов притягиваются и взаимодействуют. Чтобы поверхности сдвинулись, нужно разрушить или деформировать эти связи, поэтому возникает сопротивление движению.
Сила трения направлена вдоль поверхности контакта, потому что именно вдоль неё происходит возможное относительное перемещение. Если верхнее тело стремится сдвинуться вправо относительно опоры, трение действует влево. Направление определяют не по движению всего тела, а по тому, как одна поверхность перемещается или стремится перемещаться относительно другой.
Трение покоя не имеет заранее фиксированного значения. Если к неподвижному бруску приложить небольшую силу вправо, сила трения возникает влево и становится равной ей по модулю, поэтому равнодействующая равна нулю. При увеличении внешней силы трение также увеличивается, пока не достигнет предела Fтр max.
Максимальная сила трения покоя зависит от силы прижатия поверхностей: чем больше N, тем труднее сдвинуть тело. В простейшей модели это выражается формулой Fтр max = μN, где μпокоя характеризует соприкасающиеся материалы. Если внешняя сила превышает этот предел, покой нарушается и начинается скольжение.
При скольжении выступы поверхностей непрерывно сминаются и зацепляются, поэтому сопротивление обычно описывают формулой Fтр = μN. Сила зависит от нормального давления и свойств поверхностей, а в школьной модели почти не зависит от площади контакта и скорости. При качении скольжение в основном заменяется деформацией, поэтому потери энергии и сила сопротивления обычно меньше.
| Вид трения | Когда возникает | Направление | Формула или условие | От чего зависит |
|---|---|---|---|---|
| Трение покоя | Тело покоится, но существует стремление к относительному движению | Против возможного относительного движения | 0 ≤ Fтр ≤ Fтр max; Fтр max = μN | Сила внешнего воздействия, сила нормального давления, свойства поверхностей |
| Трение скольжения | Поверхности движутся друг относительно друга со скольжением | Против относительной скорости | Fтр = μN | Сила нормального давления и свойства соприкасающихся поверхностей |
| Трение качения | Тело катится по поверхности | Против направления движения | Специальная расчётная модель сопротивления качению | Деформация тел, радиус колеса, свойства поверхностей и нагрузка |
Сначала определите, есть ли скольжение: от этого зависит выбор формулы. Для покоя проверяют диапазон возможных значений и сравнивают внешнюю силу с Fтр max, а для скольжения используют Fтр = μN. В задачах на качение нужно учитывать отдельную модель сопротивления, если она дана в условии.
Брусок массой 5 кг лежит на горизонтальной поверхности, а к нему приложена сила 8 Н. Максимальная сила трения покоя равна 20 Н. Нужно выяснить, хватит ли трения для сохранения покоя.
Ответ: сила трения равна 8 Н; брусок останется неподвижным.
Брусок массой 4 кг скользит по горизонтальной поверхности под действием силы 18 Н. Коэффициент трения скольжения равен 0,25. Примем g = 10 м/с² и найдём сначала силу трения, а затем ускорение.
Ответ: Fтр = 10 Н, ускорение бруска a = 2 м/с² в направлении приложенной силы.
Брусок находится на наклонной плоскости с углом 30°. Коэффициент трения покоя равен 0,6, а при скольжении — 0,4. Проверим покой, сравнив составляющую тяжести вдоль плоскости с максимальным трением.
Ответ: брусок не начнёт скользить, его ускорение равно нулю. Расчёт 1,5 м/с² относится только к уже начавшемуся движению.
Считать трение покоя всегда равным μN. Так делают, потому что эта формула часто запоминается без слова «максимальная». Проверьте, меньше ли внешняя сила предельного значения: тогда Fтр равна внешней силе, а не обязательно μN.
Направлять трение просто противоположно движению тела. Это неверно, если тело неподвижно или поверхности движутся по-разному. Представьте относительное движение соприкасающихся поверхностей и направьте силу против него.
Использовать Fтр = μN без определения вида трения. Формула описывает скольжение и предельное трение покоя, но не любое состояние. Сначала выясните, движутся ли поверхности со скольжением и не требуется ли проверка условия покоя.
Принимать на наклонной плоскости N = mg. Такая запись верна для горизонтальной опоры без вертикальных дополнительных сил, но не для наклонной. Разложите тяжесть и используйте N = mg cos α.
Для решения задач о трении нужны второй закон Ньютона, понятия силы и нормальной реакции опоры. На наклонной плоскости дополнительно требуется разлагать силу тяжести на составляющие вдоль и перпендикулярно поверхности.
Сила трения применяется в задачах о движении по горизонтальным и наклонным плоскостям, равновесии и торможении. Она помогает объяснить работу транспорта, сцепление колёс с дорогой и сопротивление движению.
Позже трение связывается с превращением механической энергии во внутреннюю энергию. Поэтому тема важна при изучении сопротивления движению и законов сохранения энергии.
Почему сила трения покоя не всегда равна μN?
μN — это максимальная сила трения покоя, то есть предел, после которого начинается скольжение. Если внешняя сила меньше этого предела, трение покоя принимает такое же по модулю значение и уравновешивает её.
Куда направлена сила трения, если тело ещё не движется?
Она направлена против возможного относительного движения поверхностей. Например, если брусок пытаются сдвинуть вправо, сила трения покоя направлена влево, даже пока брусок остаётся неподвижным.
Почему при увеличении силы давления сила трения возрастает?
При большем давлении поверхности сильнее прижимаются друг к другу, поэтому увеличивается сопротивление их относительному перемещению. В модели трения скольжения это отражается формулой Fтр = μN.
Чем отличаются коэффициент трения покоя и коэффициент трения скольжения?
Коэффициент трения покоя определяет предельную силу перед началом скольжения, а коэффициент трения скольжения — силу сопротивления уже при движении. Обычно коэффициент трения покоя немного больше коэффициента трения скольжения.
Почему колесо катится легче, чем брусок скользит по поверхности?
При качении точка контакта постоянно меняется, поэтому не происходит длительного скольжения всей поверхности. Основные потери связаны с деформацией колеса и дороги, и обычно они меньше потерь при скольжении.
§ 17. Силы трения
