"Физика (базовый уровень)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.
При качении и движении тела в жидкости или газе возникают силы, которые противодействуют движению. Трение качения связано с деформацией колеса и поверхности, а сопротивление среды — с взаимодействием тела с частицами воздуха или жидкости. Обычно катить груз легче, чем тащить его, но сопротивление среды может заметно замедлять тело. Понимание этих сил помогает объяснить движение колёс, плавание и падение тел, а также определить, когда ускорение уменьшается или исчезает.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сила трения качения — сила, возникающая при качении тела по поверхности и препятствующая движению. Она появляется даже тогда, когда колесо не скользит по дороге: небольшие деформации контактирующих тел создают сопротивление качению. Это понятие помогает объяснить, почему для движения колеса требуется сила и почему катить груз обычно легче, чем тащить его.
Сила сопротивления среды действует на тело, которое движется в жидкости или газе, и направлена против его движения относительно среды. Например, воздух сопротивляется движению автомобиля, а вода — движению пловца. Понятие нужно, чтобы учитывать влияние среды при описании движения, а не рассматривать тело так, будто вокруг него пустота.
Вязкое трение — сопротивление движению слоёв жидкости или газа, связанное с их внутренним трением. Соседние слои среды движутся с разными скоростями и взаимодействуют друг с другом, мешая взаимному перемещению. Это понятие помогает объяснять, почему сопротивление жидкости или газа зависит не только от тела, но и от свойств самой среды.
Когда колесо катится, оно и поверхность дороги немного деформируются в месте контакта. При движении участки материала сжимаются и восстанавливают форму, а часть механической энергии при этом рассеивается. Из-за этого возникает сила, направленная против качения. Чем заметнее деформация и потери энергии, тем сильнее может проявляться сопротивление движению колеса.
При прочих равных сила трения качения обычно меньше силы трения скольжения. При скольжении поверхности непрерывно смещаются друг относительно друга, а их неровности взаимодействуют на протяжении всего движения. Колесо же перекатывает точку контакта вперёд, и сопротивление связано главным образом с деформациями. Поэтому тележку с грузом легче катить на колёсах, чем волочить тот же груз по полу.
Тело, движущееся в жидкости или газе, сталкивается с частицами среды и передаёт им часть своего движения. Частицы увлекаются телом, а их взаимодействие с ним создаёт силу, направленную против относительного движения. Если тело движется быстрее, оно за единицу времени взаимодействует с большим количеством частиц и сильнее изменяет их движение. Поэтому сопротивление среды обычно возрастает с увеличением скорости.
Величина сопротивления определяется не одной причиной. На неё влияют скорость, форма и размеры тела, а также свойства среды, например её плотность и вязкость — способность сопротивляться перемещению слоёв. Обтекаемая форма может уменьшить сопротивление по сравнению с формой, которая сильнее тормозит поток. Зависимость силы от скорости не обязана быть одинаковой во всех случаях: при изменении условий может меняться и её характер.
При падении тела на него действуют сила тяжести вниз и сопротивление воздуха вверх. Сначала скорость мала, поэтому сопротивление невелико, а результирующая сила направлена вниз и тело ускоряется. По мере разгона сопротивление растёт, разность сил уменьшается и ускорение становится меньше. Если сопротивление сравняется с силой тяжести, результирующая сила станет нулевой: ускорение исчезнет, и скорость перестанет увеличиваться.
| Свойство | Сила трения качения | Сила сопротивления среды |
|---|---|---|
| Где возникает | При качении тела по поверхности | При движении тела в жидкости или газе |
| Причина возникновения | Деформации колеса и поверхности, потери энергии | Взаимодействие тела с частицами среды |
| Направление относительно движения | Против движения при качении | Против движения тела относительно среды |
| От чего зависит | От деформаций и условий контакта поверхностей | От скорости, формы и размеров тела, свойств среды |
| Пример проявления | Сопротивление движению колеса по дороге | Сопротивление воздуха при падении тела |
Сначала определите, с чем взаимодействует тело: с поверхностью при качении или с окружающей жидкостью либо газом. Затем сравните причины возникновения и направление силы относительно движения. Строка о зависимости показывает, какие условия нужно учитывать, прежде чем сравнивать величины сил.
Задача 1. Колесо катится по горизонтальной дороге. Укажите направление силы трения качения и объясните, почему она возникает.
Ответ: сила трения качения направлена против движения колеса; она возникает из-за деформации колеса и дороги и потерь энергии.
Задача 2. Два одинаковых тела движутся в одной жидкости с разными скоростями. Сравните силы сопротивления среды, не вычисляя их значения.
Ответ: больше сила сопротивления действует на тело с большей скоростью; точное соотношение сил из условия установить нельзя.
Задача 3. Тело падает в воздухе. Объясните, как меняются результирующая сила и ускорение по мере роста скорости, и почему скорость может перестать увеличиваться.
Ответ: с ростом скорости результирующая сила и ускорение уменьшаются. Когда сопротивление уравновесит тяжесть, скорость перестанет увеличиваться.
Ошибочно направлять силу трения качения по движению колеса. Так можно подумать, если считать, что сила должна «подталкивать» точку контакта, но трение в этой задаче препятствует качению. Проверьте себя: назовите движение, которому сопротивляется сила. Если это движение колеса вперёд, сила направлена против него.
Неверно считать сопротивление среды постоянным. Оно зависит, в частности, от скорости и свойств среды, поэтому при изменении условий сила может измениться. Ошибку допускают, перенося на сопротивление воздуха свойства силы тяжести около поверхности Земли. Для проверки сравните условия движения: если изменилась скорость, форма тела или среда, постоянство сопротивления нельзя просто предполагать.
Сила сопротивления среды — не то же самое, что сила тяжести. Они возникают по разным причинам: тяжесть связана с притяжением тела Землёй, а сопротивление — с взаимодействием тела с жидкостью или газом. При падении эти силы направлены противоположно, из-за чего их легко спутать. Нарисуйте тело и подпишите каждую силу вместе с причиной её возникновения и направлением.
Нельзя утверждать, что падающее тело всегда ускоряется одинаково. Это предположение игнорирует рост сопротивления воздуха при увеличении скорости. В результате результирующая сила вниз может уменьшаться, а вместе с ней уменьшается и ускорение. Проверка проста: сравните силы в начале падения и позднее; если сопротивление выросло, равнодействующая уже не обязана оставаться прежней.
Для описания трения нужно уметь различать модуль силы и её направление: одного значения недостаточно, чтобы предсказать движение. Понятия силы трения и реакции опоры помогают сравнить качение со скольжением и понять взаимодействие колеса с поверхностью. Сопротивление среды понадобится при изучении движения тел в жидкостях и газах. В частности, оно объясняет, почему падение с учётом воздуха отличается от свободного падения.
Почему катить груз обычно легче, чем тащить его по поверхности?
При качении обычно возникает меньшее сопротивление, чем при скольжении: поверхности не трутся друг о друга так, как при волочении груза. Поэтому колёса уменьшают силу, которую нужно прикладывать для перемещения.
Всегда ли сила трения качения меньше силы трения скольжения?
Нет, это обычное сравнение при прочих равных условиях, а не универсальное правило для любой ситуации. Результат зависит от материалов, состояния поверхностей и других условий движения.
От чего зависит сопротивление воздуха движущемуся телу?
Оно зависит от скорости тела, его формы и размеров, а также от свойств воздуха. При увеличении скорости сопротивление обычно возрастает, но конкретный характер зависимости может различаться.
Почему сила сопротивления среды направлена против движения?
Двигающееся тело взаимодействует с частицами среды и увлекает их за собой. Это взаимодействие препятствует движению тела относительно среды, поэтому сила сопротивления направлена против него.
Может ли падающее тело перестать ускоряться?
Да. При падении скорость растёт, а вместе с ней увеличивается сопротивление воздуха. Если оно уравновесит силу тяжести, результирующая сила станет равной нулю и ускорение прекратится.
3. Другие виды сил трения
