"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 покоя возникает между соприкасающимися поверхностями, когда тело пытается начать скользить, но ещё остаётся неподвижным. Она препятствует возможному относительному движению и принимает такое значение, которое необходимо для равновесия, но не превышает предела μN. Понимание этой силы помогает объяснить, почему предметы не сдвигаются от небольшого толчка, как стоят тела на наклонной плоскости и за счёт чего колёса сцепляются с дорогой.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сила трения покоя — сила взаимодействия соприкасающихся поверхностей, препятствующая началу их относительного скольжения. Она обозначается Fтр.пок и направлена вдоль поверхности соприкосновения, против возможного движения. Это позволяет телу сохранять покой, даже если на него действует сила, стремящаяся его сдвинуть.
Коэффициент трения покоя μ — безразмерная величина, характеризующая сцепление двух поверхностей. Его значение зависит от материалов, шероховатости, чистоты и состояния поверхностей. Коэффициент нужен, чтобы определить максимально возможную силу трения до начала скольжения.
Нормальная реакция опоры N — сила, с которой опора действует на тело перпендикулярно поверхности. Она не обязательно равна силе тяжести: её величина зависит от всех сил и от положения тела. Через N находят предел трения покоя: Fтр.пок.max = μN.
Трение покоя возникает, когда поверхности соприкасаются и внешняя сила пытается сдвинуть тело. На микроскопическом уровне неровности поверхностей цепляются друг за друга и препятствуют смещению. Пока это сопротивление достаточно, относительного скольжения нет, поэтому тело остаётся в покое.
Сила трения покоя направлена не просто против внешней силы, а против возможного относительного движения поверхностей. Например, если брусок толкают вправо по столу, без трения он начал бы двигаться вправо, поэтому трение направлено влево. Если другие силы создают тенденцию движения влево, направление трения изменится на противоположное.
Пока тело покоится, сила трения подстраивается под действие остальных сил. Если брусок тянут горизонтально с силой 2 Н, трение может быть равно 2 Н, а при силе 5 Н — уже 5 Н. Такое изменение возможно только до некоторого предела, который определяется свойствами поверхностей и реакцией опоры.
Максимальная сила трения покоя вычисляется по формуле Fтр.пок.max = μN. Пока требуемая для равновесия сила не превышает μN, тело может оставаться неподвижным. Когда она становится больше предельного значения, трение уже не компенсирует остальные силы и начинается скольжение.
На горизонтальной поверхности направление трения находят по возможному движению вдоль стола, а величину — из условия равновесия. На наклонной плоскости тело стремится скользить вниз под действием составляющей силы тяжести, поэтому трение направлено вверх вдоль плоскости. Для покоя оно должно компенсировать эту составляющую, но не превышать μN.
Сначала определите, куда поверхности могли бы сместиться без трения, и укажите противоположное направление. Затем найдите силы из условия равновесия и сравните полученное значение с пределом μN. Если требуемая сила больше предельной, покой невозможен.
| Ситуация или величина | Направление силы трения покоя | Величина силы | Условие |
|---|---|---|---|
| Тело покоится, внешняя сила отсутствует | Силы трения нет | Fтр.пок = 0 | Нет стремления к скольжению |
| На тело действует сила вдоль поверхности | Против возможного смещения | Равна требуемой для равновесия силе | Fтр.пок ≤ μN |
| Равновесие тела на наклонной плоскости | Вверх по плоскости, если тело стремится скользить вниз | Fтр.пок = mg sin α | mg sin α ≤ μN |
| Предельное состояние перед началом скольжения | Против возможного движения | Fтр.пок = μN | Требуемая сила достигла максимума |
| Коэффициент трения покоя и нормальная реакция опоры | Не определяют направление сами по себе | Fтр.пок.max = μN | μ зависит от поверхностей, N — от условий опоры |
Задача 1. К бруску массой 2 кг приложили горизонтальную силу 3 Н, но брусок остался в покое. Требуется найти силу трения покоя. Масса здесь нужна только для описания ситуации: при известном равновесии вычислять её не обязательно.
Ответ: Fтр.пок = 3 Н, направление противоположно толкающей силе.
Задача 2. Брусок массой 5 кг лежит на горизонтальной поверхности, μ = 0,4. Нужно найти наибольшую горизонтальную силу, при которой скольжение ещё не начнётся. Предполагаем, что других вертикальных сил нет.
Ответ: Fгор.max = 20 Н.
Задача 3. Брусок массой 4 кг покоится на плоскости с углом наклона 30°, коэффициент трения равен 0,6. Найдём требуемую силу трения и проверим возможность равновесия. Используем g ≈ 10 Н/кг.
Ответ: сила трения равна 20 Н, коэффициента μ = 0,6 достаточно; брусок не скользит.
Считать, что сила трения всегда равна μN. Так путают предельное значение с обычным значением силы. Проверьте, требуется ли именно условие начала скольжения: при покое сначала находят силу из равновесия, а затем сравнивают её с μN.
Направлять трение всегда против внешней силы. Внешняя сила может не совпадать с причиной возможного смещения поверхностей. Чтобы не ошибиться, мысленно уберите трение и определите направление, в котором началось бы относительное движение.
Путать трение покоя с трением скольжения. Трение покоя действует до начала скольжения и меняется в зависимости от условий, а трение скольжения возникает уже при движении. Проверьте в условии, сохраняется ли контакт без взаимного скольжения.
Без анализа приравнивать трение к тяжести или реакции опоры. Такие равенства выполняются только в особых случаях и зависят от направления сил. Нарисуйте схему, выберите оси и составьте уравнения равновесия по проекциям.
Для решения задач о трении нужно уметь изображать силы, применять первый закон Ньютона и находить проекции векторов на выбранные оси. Эти навыки показывают, какая именно сила должна быть скомпенсирована трением.
Тема связана с силой трения скольжения. Сравнение двух видов трения помогает понять переход от неподвижности к движению: сначала достигается предел трения покоя, затем возникает трение при скольжении.
Понятие используется при изучении равновесия тел, движения по наклонной плоскости и сцепления колёс с дорогой. Благодаря трению покоя автомобиль может трогаться, тормозить и менять направление без проскальзывания колёс.
Почему сила трения покоя может быть меньше μN?
μN — это не всегда действующая сила, а её максимально возможное значение. Если для равновесия достаточно меньшей силы, трение покоя принимает именно это значение.
Как определить направление силы трения покоя?
Нужно определить, куда поверхности начали бы смещаться друг относительно друга без трения. Сила трения покоя направлена противоположно этому возможному движению.
Всегда ли сила трения покоя равна приложенной силе?
Нет, такое равенство выполняется только в конкретной ситуации равновесия, когда приложенная сила является единственной горизонтальной силой. В общем случае трение компенсирует результирующее действие остальных сил вдоль поверхности.
Что происходит, когда приложенная сила становится больше предельной силы трения?
Равновесие нарушается, потому что трение покоя уже не может увеличиваться. Поверхности начинают скользить друг относительно друга, и действует сила трения скольжения.
Как найти силу трения покоя на наклонной плоскости?
Силу тяжести раскладывают на составляющие вдоль и перпендикулярно плоскости. Если тело покоится, сила трения компенсирует составляющую вдоль плоскости: Fтр.пок = mg sin α, при условии что это значение не превышает μN.
2. Сила трения покоя
