"Физика (базовый уровень)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.
Сила трения возникает при соприкосновении поверхностей и мешает их относительному движению или его началу. Она помогает удерживать предметы на месте, ходить, тормозить и передавать движение колёсам, но может замедлять механизмы и изнашивать детали. Различают трение покоя, скольжения и качения. Чтобы решать задачи, нужно определить вид трения, его направление и связать силу трения скольжения с силой прижатия поверхностей и коэффициентом трения.
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; она направлена вдоль поверхности контакта против движения или возможного движения. Это обозначение помогает отличать трение от других сил в схемах и расчётах.
Трение покоя действует между соприкасающимися телами, которые не движутся друг относительно друга. Оно уравновешивает силу, пытающуюся сдвинуть тело, и изменяется вслед за ней, пока не достигнет максимального значения. Поэтому неподвижность тела не означает, что сила трения равна нулю.
Трение скольжения действует, когда одно тело скользит по поверхности другого. Его величина зависит от силы прижатия поверхностей и от их материалов и состояния. Обычно для него используют формулу Fтр = μN, где N — сила нормальной реакции опоры, а μ — коэффициент трения.
Трение качения — сопротивление движению тела, катящегося по поверхности. Оно обычно меньше трения скольжения, потому что при качении поверхности меньше деформируются и не скользят одна по другой на всей области контакта. Различение этих видов помогает выбрать верную модель для задачи.
Даже гладкие на вид поверхности имеют микроскопические неровности. При контакте выступы цепляются друг за друга, а молекулы поверхностей притягиваются; чтобы сдвинуть тела, нужно преодолеть это взаимодействие. Чем сильнее поверхности прижаты, тем больше участков контакта взаимодействуют, поэтому трение обычно возрастает.
Направление трения определяют не просто относительно движения тела по комнате, а относительно движения соприкасающихся поверхностей друг относительно друга. Если брусок скользит вправо по столу, сила трения скольжения на брусок направлена влево. При отсутствии скольжения следует выяснить, в какую сторону началось бы относительное движение без трения: сила покоя направлена против этой попытки.
Когда неподвижный предмет толкают, трение покоя сначала компенсирует толчок, поэтому равнодействующая сил равна нулю. Если увеличить приложенную силу, трение покоя тоже увеличится, но только до предельного значения. Когда толчок становится сильнее этого предела, тело начинает скользить, и вместо трения покоя действует трение скольжения.
В простой модели сила трения скольжения равна Fтр = μN. N показывает, насколько сильно опора действует на тело перпендикулярно поверхности; на горизонтальном столе без других вертикальных сил N = mg. Коэффициент μ безразмерен и характеризует сочетание материалов и состояние поверхностей: он может быть разным для сухих, влажных или смазанных поверхностей. Чем больше μ или N, тем больше сила трения.
При скольжении выступы поверхностей постоянно взаимодействуют, а при качении контакт перемещается вместе с колесом или катящимся телом. Поэтому сопротивление качению обычно заметно меньше, хотя оно не исчезает полностью: поверхности деформируются и теряют энергию. Смазка разделяет поверхности тонким слоем, обработка уменьшает зацепление неровностей, а колёса заменяют скольжение качением; при этом трение иногда, наоборот, специально увеличивают, например для торможения.
| Свойство | Трение покоя | Трение скольжения | Трение качения |
|---|---|---|---|
| Когда возникает | Нет относительного движения; оно может начаться | Одно тело скользит по другому | Тело катится по поверхности |
| Направление силы | Против возможного начала движения | Против скольжения | Против качения |
| От чего зависит величина | От приложенной силы, до предельного значения | От N и коэффициента трения μ | От прижатия, материалов и деформации |
| Как меняется при увеличении приложенной силы | Растёт до максимума | При постоянных μ и N примерно не меняется | Сопротивление обычно возрастает с нагрузкой |
| Как уменьшить или использовать | Уменьшать, чтобы облегчить сдвиг; использовать для сцепления | Смазать или сгладить поверхности; использовать для торможения | Уменьшать сопротивление качению; использовать колёса |
Сначала выясните, есть ли скольжение или тело пока неподвижно: от этого зависит вид силы трения. В строке о величине для скольжения учитывайте, что формула Fтр = μN применима в школьных задачах при заданных условиях. Таблица помогает выбрать подходящее описание, но направление силы всегда определяйте для конкретного тела.
Задача 1. На книгу, лежащую на горизонтальном столе, действуют горизонтальной силой 3 Н, но книга остаётся неподвижной. Найдите силу трения покоя. Книга не движется, значит, горизонтальные силы уравновешены.
Ответ: 3 Н, против приложенной силы. Здесь не требуется искать предельное трение: известно, что книга не сдвинулась, поэтому трение покоя ровно уравновесило толчок.
Задача 2. Брусок массой 4 кг равномерно скользит по горизонтальной поверхности, μ = 0,2, g = 10 Н/кг. Найдите силу трения. Равномерное движение означает, что скорость не меняется, но для вычисления достаточно найти силу прижатия и применить формулу трения скольжения.
Ответ: 8 Н. Равномерность движения согласуется с тем, что сила тяги, если она действует, уравновешивает трение.
Задача 3. Брусок массой 5 кг тянут по горизонтальной поверхности силой 18 Н, μ = 0,2, g = 10 Н/кг. Найдите ускорение. Здесь приложенная сила больше трения, поэтому брусок разгоняется в направлении тяги.
Ответ: 1,6 м/с² в направлении тяги. Перед применением второго закона Ньютона важно сложить силы с учётом их направлений, а не складывать только их модули.
Считать трение покоя всегда максимальным. Так думают, потому что максимальное значение часто приводят в формулах и справочных данных. Но в состоянии покоя трение подстраивается под толчок, пока не достигнет предела; проверьте, задан ли предел или известна сила, уравновешенная телом.
Направлять трение всегда против движения тела относительно земли. Это правило не учитывает, что трение связано с движением поверхностей друг относительно друга. Например, трение покоя может разгонять колесо автомобиля вперёд; проверяйте, куда поверхности скользили бы относительно друг друга без трения.
Путать коэффициент трения с силой. Коэффициент μ не измеряется в ньютонах: он характеризует пару поверхностей и входит в формулу Fтр = μN. Если ответ для μ получился в Н, значит, перепутаны величины или единицы.
Подставлять массу вместо реакции опоры. В формуле трения нужна сила N, а не масса тела. На горизонтальной поверхности N = mg лишь при отсутствии других вертикальных сил; проверьте силы на схеме, прежде чем заменять N весом.
Для задач о трении нужны второй закон Ньютона, силы тяжести и реакции опоры, а также умение складывать силы по направлениям. Эти знания позволяют определить равнодействующую и понять, останется ли тело неподвижным или получит ускорение. Трение встречается при анализе торможения и движения по поверхности, а позже понадобится для задач о наклонной плоскости и изменении энергии. Работа силы трения помогает объяснить, почему механическая энергия движения может превращаться во внутреннюю энергию и нагрев.
Почему сила трения покоя может быть разной?
Она подстраивается под силу, которая пытается сдвинуть тело, и уравновешивает её, пока тело неподвижно. Поэтому при толчке в 2 Н сила трения покоя равна 2 Н, а не обязательно своему максимуму.
Как определить направление силы трения?
Нужно определить, в какую сторону поверхности движутся или могли бы начать двигаться относительно друг друга. Сила трения направлена вдоль соприкасающихся поверхностей против этого движения или его возможного начала.
Почему предмет не начинает двигаться, если его слегка толкнуть?
Толчку противодействует сила трения покоя. Пока она может уравновесить приложенную силу, равнодействующая равна нулю и предмет остаётся на месте.
От чего зависит коэффициент трения?
Коэффициент трения зависит от материалов соприкасающихся поверхностей и их состояния: например, шероховатости или наличия смазки. Это безразмерная величина, а не сила.
Почему колесо катится легче, чем брусок скользит?
При качении поверхности меньше деформируются и не трутся друг о друга так, как при скольжении. Поэтому сила трения качения обычно меньше силы трения скольжения.
§ 8. Силы трения
