"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Сила трения возникает при соприкосновении тел и мешает их поверхностям перемещаться друг относительно друга. Она может удерживать предмет на месте, замедлять скольжение или сопротивляться качению. Трение покоя подстраивается под приложенную силу, а для скольжения в школьной модели используют формулу Fтр = μN, где N — сила нормального давления, μ — коэффициент трения. Понимание трения помогает объяснять ходьбу, торможение и движение тел по поверхностям.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сила трения покоя — сила между соприкасающимися телами, поверхности которых не скользят друг относительно друга. Она направлена против возможного относительного смещения и принимает нужное для равновесия значение, пока не достигнет предела. Это помогает понять, почему предмет может оставаться на месте под действием небольшой горизонтальной силы.
Сила трения скольжения действует, когда одно тело скользит по поверхности другого. Она направлена против относительного движения поверхностей; приближённо её рассчитывают по формуле Fтр = μN. Эта формула позволяет связать трение с силой нормального давления N и свойствами контакта.
Коэффициент трения μ — безразмерная величина, характеризующая взаимодействие соприкасающихся поверхностей. Он зависит от материалов и состояния поверхностей, например их шероховатости или наличия смазки. Коэффициент нужен, чтобы учесть эти особенности в расчёте силы трения скольжения.
Сила трения качения препятствует перекатыванию тела по поверхности. Обычно она меньше силы трения скольжения, поэтому колёса и ролики позволяют легче перемещать предметы. Это различие объясняет практическую пользу качения.
Даже гладкие на вид поверхности имеют микроскопические неровности. При контакте выступы цепляются друг за друга, а частицы материалов взаимодействуют и притягиваются. Чтобы поверхности сдвинулись, нужно преодолеть эти препятствия, поэтому возникает сила, мешающая относительному перемещению.
Направление трения определяют не по движению тела относительно комнаты, а по движению или возможному движению одной поверхности относительно другой. Поэтому сила трения может быть направлена не против движения тела в целом: например, при ходьбе опора толкает человека вперёд. Трение сопротивляется именно скольжению в месте контакта или его началу.
Пока брусок не скользит, сила трения покоя уравновешивает приложенную к нему силу вдоль поверхности. Если тянуть слабее, трение тоже меньше; если тянуть сильнее, оно возрастает, сохраняя покой. Но возможности контакта не безграничны: при достижении предельной силы удержания начинается скольжение.
При скольжении силу трения приближённо связывают с нормальным давлением формулой Fтр = μN. Чем сильнее поверхности прижаты друг к другу, тем обычно больше их взаимодействие и сопротивление скольжению. Коэффициент μ учитывает материалы и состояние поверхностей, а площадь контакта в простой школьной модели на силу трения почти не влияет.
При качении поверхности не скользят одна по другой так, как при волочении предмета: контакт перемещается вместе с колесом, а деформации поверхностей обычно создают сравнительно небольшое сопротивление. Поэтому для движения того же груза качение требует меньшей силы, чем скольжение. Колёса, ролики и подшипники используют именно для уменьшения сопротивления движению.
| Характеристика | Трение покоя | Трение скольжения | Трение качения |
|---|---|---|---|
| Когда возникает | Поверхности не скользят, но есть попытка сдвига | Одно тело скользит по другому | Тело катится по поверхности |
| Направление силы | Против возможного относительного смещения | Против относительного скольжения | Против качения |
| От чего зависит величина | От приложенной силы, пока не достигнут предел | От N и коэффициента μ | От контакта и свойств тел; точный расчёт зависит от условий |
| Связь с силой нормального давления | Определяет предел удержания | Приближённо Fтр = μN | Зависит от условий качения |
| Роль коэффициента трения | Характеризует предельное сцепление поверхностей | Входит в формулу расчёта | Учитывает сопротивление качению в соответствующей модели |
| Примеры проявления | Предмет удерживается на наклонной поверхности | Брусок движется по столу | Колесо катится по дороге |
Сначала определите, движутся ли поверхности друг относительно друга: это отличает трение покоя от скольжения. Затем посмотрите, катится ли тело и какая сила прижимает его к опоре. Таблица помогает выбрать описание силы, но для трения покоя нельзя без проверки подставлять формулу скольжения.
Ответ: сила трения покоя равна 3 Н и направлена против приложенной силы.
Ответ: сила трения скольжения равна 10 Н.
Ответ: ускорение бруска равно 1 м/с² в направлении силы тяги.
Ошибка — считать силу трения покоя всегда равной μN. Так делают, перенося формулу для скольжения на ситуацию без движения; однако покоящееся тело получает ровно такую силу трения, какая нужна для равновесия, пока не достигнут предел. Проверьте, скользят ли поверхности: если нет, сначала составьте условие равновесия.
Нельзя всегда направлять трение против движения тела. Это правило путают с более точным: сила противодействует относительному скольжению поверхностей или его возможному началу. Чтобы проверить направление, представьте, куда сдвинулся бы контакт без трения, и направьте силу в обратную сторону.
Подстановка силы тяжести mg вместо нормального давления N верна не при любых условиях. На горизонтальной поверхности без других вертикальных сил N = mg, поэтому равенство кажется универсальным. На наклонной плоскости или при дополнительной вертикальной силе найдите N из сил, действующих перпендикулярно поверхности.
Увеличение площади контакта не обязательно увеличивает силу трения скольжения. В школьной приближённой модели её связывают с μ и N, а не с площадью; ошибку вызывает интуитивное представление о большем соприкосновении. Проверьте, какие величины входят в заданную формулу, и не добавляйте зависимость от площади без отдельного условия.
Для решения задач о трении нужны понятия силы, равнодействующей и массы, а также второй закон Ньютона. Сила нормального давления связана с реакцией опоры — силой, с которой опора действует на тело, — и с силами упругости. Поэтому при расчётах сначала разбирают силы по направлениям, а затем находят ускорение или условие равновесия. Эти знания пригодятся при изучении движения по горизонтальной и наклонной поверхности и способов изменять трение.
Почему сила трения покоя может меняться?
Она уравновешивает действующую на тело силу вдоль поверхности, пока тело остаётся в покое. Поэтому её величина меняется вместе с этой силой, но не может превысить предельное значение.
Всегда ли сила трения направлена против движения тела?
Нет: трение направлено против относительного движения соприкасающихся поверхностей или его возможного начала. Например, при ходьбе трение со стороны земли может быть направлено вперёд относительно человека.
Когда можно применять формулу Fтр = μN?
В школьной модели её применяют для приближённого расчёта силы трения скольжения. Сначала нужно определить силу нормального давления N и убедиться, что μ относится к данным материалам и состоянию поверхностей.
От чего зависит коэффициент трения?
Он характеризует взаимодействие соприкасающихся поверхностей и зависит от их материалов и состояния: например, шероховатости, загрязнения или смазки. Это безразмерная величина, то есть она не имеет единиц измерения.
Почему колесо катится легче, чем предмет скользит по поверхности?
При качении сопротивление обычно меньше, чем при скольжении: поверхности не трутся друг о друга с таким же интенсивным относительным перемещением. Поэтому колёса и ролики используют, чтобы облегчить перевозку тяжёлых предметов.
§ 37. Силы трения между соприкасающимися поверхностями твердых тел
