§ 36. Роль сил трения

Определения и обозначения

Полезное трение — трение, которое помогает телам двигаться или удерживаться. При ходьбе оно не даёт стопе скользить, а при захвате предмета помогает удержать его рукой. Такое трение необходимо там, где нужно надёжное сцепление.

Вредное трение — трение, которое мешает движению, нагревает соприкасающиеся детали и приводит к их износу. Например, в механизме оно может расходовать часть энергии. Однако трение вредно только с точки зрения конкретной задачи: при торможении оно, напротив, необходимо.

Сила сопротивления среды возникает, когда тело движется в жидкости или газе. Она направлена против движения тела относительно среды и замедляет его. Это понятие помогает объяснить, почему воздух мешает автомобилю, а вода — движущемуся в ней телу.

Смазка — способ уменьшить трение, поместив между соприкасающимися поверхностями тонкий слой вещества. Он ослабляет их непосредственное взаимодействие, поэтому детали меньше нагреваются и изнашиваются. Смазка нужна для снижения потерь, но не превращает трение в ноль.

Как это устроено

Во время шага стопа нажимает на землю и стремится сдвинуться назад относительно неё. Если нога не скользит, между подошвой и опорой действует трение покоя — сила, возникающая при отсутствии скольжения поверхностей друг относительно друга. Земля действует на ногу этой силой вперёд, и человек может переместить тело. Если сцепления недостаточно, стопа проскальзывает и толчок становится слабее.

Чтобы автомобиль разгонялся, двигатель вращает ведущие колёса. В месте контакта шины с дорогой колесо стремится сдвинуть дорожное покрытие назад, а дорога действует на колесо силой трения вперёд. При торможении взаимодействие шин с дорогой помогает уменьшить скорость. Поэтому для управления транспортом нужно достаточное сцепление; мокрая или обледенелая поверхность снижает его и повышает вероятность скольжения.

В механизме соприкасающиеся детали сопротивляются движению друг относительно друга. Из-за этого часть механической энергии переходит во внутреннюю энергию: детали нагреваются, а поверхности постепенно изнашиваются. Смазка уменьшает непосредственное взаимодействие поверхностей, а подшипники помогают организовать вращение с меньшими потерями. Обработка поверхностей тоже может снижать трение, но выбор способа зависит от конструкции и условий работы.

Иногда поверхность делают более шероховатой именно ради надёжного сцепления. Рельеф подошвы помогает ей цепляться за опору, а протектор шины — за дорогу. Если бы трение в этих случаях уменьшали, ходить и управлять транспортом стало бы труднее. Значит, шероховатость полезна там, где нужно не допустить скольжения, хотя в механизмах неровности могут увеличивать износ.

При движении в воздухе или воде тело сталкивается с частицами среды и передаёт им часть своего движения. Возникающая сила сопротивления направлена против движения тела относительно среды и затрудняет перемещение. Обтекаемая форма помогает уменьшить это сопротивление, поэтому на движение требуется меньше энергии. Для торможения, наоборот, сопротивление среды используют: например, оно замедляет тело, раскрывающее парашют.

Роль трения и способы управления им

В таблице сравниваются ситуации, где трение помогает, мешает или зависит от цели. При чтении сначала определите, какое движение или действие требуется, а затем посмотрите, нужно ли увеличить или уменьшить сцепление. Один и тот же вид взаимодействия может быть полезен в одной ситуации и нежелателен в другой.

Разбор задач

Почему человек не может нормально идти по обледеневшему тротуару?

Условие. Человек делает шаг на лёд, но стопа проскальзывает. Нужно объяснить причину, связав ходьбу с трением покоя и сцеплением с опорой.

1. При обычном шаге стопа отталкивается от земли и не скользит по ней. Значит, для нормального движения требуется достаточное трение покоя.
2. На льду сцепление подошвы с поверхностью меньше, поэтому трение не всегда может удержать стопу от скольжения. Нога сдвигается назад вместо того, чтобы надёжно оттолкнуться от опоры.
3. Из-за слабого толчка человеку сложнее сохранять равновесие и продвигаться вперёд. Рельефная подошва помогает увеличить сцепление, но осторожная походка всё равно нужна.

Ответ. На льду трение покоя между подошвой и поверхностью недостаточно для надёжного отталкивания, поэтому стопа скользит и идти трудно.

Почему автомобиль на мокрой дороге тормозит хуже, чем на сухой?

Условие. Сравним торможение одной и той же машины на сухой и мокрой дороге. Требуется объяснить, как изменение сцепления влияет на торможение, не смешивая силу трения между шинами и дорогой с работой тормозов.

1. Тормоза замедляют вращение колёс, а взаимодействие шин с дорогой помогает уменьшать скорость автомобиля. Для этого колёсам нужно сохранять сцепление с поверхностью.
2. На мокрой дороге контакт шин с покрытием становится менее надёжным. Доступная сила трения меньше, и при сильном торможении колёса легче начинают скользить.
3. При скольжении водителю труднее эффективно замедлить машину и сохранить управление. Поэтому безопаснее заранее снижать скорость и увеличивать дистанцию до других автомобилей.

Ответ. На мокрой дороге сцепление шин слабее, поэтому сила трения, помогающая торможению, меньше и автомобиль может остановиться позже.

Как уменьшить потери энергии в механизме и сохранить сцепление колёс с дорогой?

Условие. В устройстве есть вращающийся вал и колёса, передающие движение дороге. Нужно уменьшить нагрев и износ в механизме, но не ухудшить сцепление шин с дорогой.

1. Сначала разделим две ситуации: в механизме трение мешает вращению, а между шинами и дорогой оно необходимо для разгона и управления. Поэтому нельзя применять один способ ко всем поверхностям.
2. Потери на вращающемся валу уменьшают подходящей смазкой и подшипниками. Это снижает трение деталей, нагрев и износ, сохраняя возможность передачи вращения.
3. Шины смазывать нельзя: это ослабило бы сцепление с дорогой. Для надёжного контакта сохраняют исправный протектор и подходящее состояние шин.

Ответ. Вал смазывают и устанавливают на подшипники, а сцепление колёс с дорогой сохраняют за счёт подходящих шин и их протектора.

Типичные ошибки

Считать трение всегда вредным. Так думают, потому что трение в механизмах действительно вызывает нагрев и износ. Но без него нельзя ходить, разгонять автомобиль и тормозить; проверьте себя, спросив, что именно должно произойти в рассматриваемой ситуации.

Путать трение покоя и трение скольжения. Их смешивают, потому что оба вида связаны с контактом поверхностей. При обычном шаге стопа не скользит по земле, поэтому действует трение покоя; если стопа начинает проскальзывать, условия движения меняются.

Думать, что смазка полностью устраняет трение. Такое представление возникает из-за того, что после смазывания детали движутся легче. Смазка только уменьшает трение, а не обнуляет его; проверить это можно по тому, что реальные механизмы всё равно нагреваются и изнашиваются.

Считать, что сопротивление среды направлено по движению. Поскольку воздух или вода воздействуют на движущееся тело, направление силы иногда путают с направлением его скорости. Сила сопротивления направлена против движения относительно среды; проверяйте направление, представляя, что именно мешает телу двигаться вперёд.

Связь с другими темами

Для понимания роли трения нужно знать, что сила возникает при взаимодействии тел и может изменять скорость движения. Это связывает тему с законами Ньютона: трение участвует в изменении движения и объясняет, почему скорость не всегда сохраняется без воздействия других тел. При изучении транспорта можно применить эти знания к разгону и торможению.

Трение также связано с работой и превращением механической энергии. Когда детали трутся друг о друга, часть энергии переходит во внутреннюю, из-за чего механизм нагревается. Эти идеи помогают оценивать потери энергии и понимать, зачем используют смазку и подшипники.

Что запомнить

• Трение может быть как полезным, так и вредным.
• Ходьба и сцепление колёс с дорогой требуют трения покоя.
• Торможение основано на действии силы трения.
• Смазка и подшипники уменьшают трение в механизмах.
• Шероховатость поверхностей часто помогает увеличить сцепление.
• Сила сопротивления среды направлена против относительного движения тела.