"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Сила трения возникает при соприкосновении поверхностей и мешает им скользить друг относительно друга. Она может удерживать тело на месте, замедлять его движение или, наоборот, помогать ему разгоняться. Различают трение покоя, скольжения и качения. Для скольжения в школьной модели используют формулу Fтр = μN: сила зависит от коэффициента трения и силы нормального давления. Понимание направления трения помогает правильно составлять уравнения движения.
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; обозначается Fтр. Она появляется из-за взаимодействия поверхностей, а её направление связано с тем, как одна поверхность движется или пытается двигаться по другой. Понятие силы трения нужно, чтобы описывать торможение, равновесие и движение контактирующих тел.
Сила трения покоя препятствует началу скольжения соприкасающихся поверхностей. Её величина приспосабливается к приложенной силе, но не может превысить максимального значения. Это помогает понять, почему тело может оставаться в покое при разных по величине внешних воздействиях.
Сила трения скольжения действует, когда соприкасающиеся поверхности скользят друг по другу. В школьной модели её модуль рассчитывают по формуле Fтр = μN, где N — сила нормального давления. Формула позволяет находить силу, которая влияет на ускорение скользящего тела.
Коэффициент трения μ — безразмерная характеристика соприкасающихся поверхностей, зависящая от их материала и состояния. У него нет единиц измерения, а его значение определяют для конкретной пары поверхностей. Коэффициент показывает, насколько заметно трение при данном прижатии тел.
На вид ровные поверхности при увеличении оказываются покрытыми неровностями. При контакте эти неровности сцепляются, деформируются, а молекулы поверхностей взаимодействуют друг с другом. Чтобы поверхности сдвинулись, нужно преодолеть это взаимодействие, поэтому возникает сила, направленная против относительного движения или его возможного начала.
Если к неподвижному бруску приложить небольшую горизонтальную силу, он не обязательно сразу поедет: трение покоя действует в противоположную сторону и удерживает его. Пока брусок остаётся неподвижным, сила трения покоя по модулю равна приложенной силе, если других горизонтальных сил нет. При усилении тяги трение тоже увеличивается, а не остаётся постоянным. Когда достигнут предел сцепления поверхностей, начинается скольжение; поэтому нельзя считать, что сила покоя всегда равна своему максимальному значению.
При скольжении и на границе начала скольжения сила трения в школьной модели приблизительно пропорциональна силе нормального давления: Fтр ≈ μN. Сила нормального давления N — это сила, с которой поверхность действует на прижатое к ней тело перпендикулярно поверхности. Чем сильнее поверхности прижаты, тем больше участков контакта и сильнее их взаимодействие. Для бруска на горизонтальном столе без других вертикальных сил N = mg, но в иных условиях это равенство может не выполняться.
Коэффициент μ зависит от материалов и состояния поверхностей: например, от шероховатости, загрязнения и наличия смазки. В простой модели сила трения скольжения почти не зависит от видимой площади соприкосновения: при изменении площади меняется распределение контактов, но суммарное взаимодействие приблизительно сохраняется. В этой же модели сила мало меняется со скоростью скольжения в обычном диапазоне. Это приближение удобно для школьных задач, хотя в реальных условиях зависимость может быть сложнее.
При качении тело деформирует поверхность и само, поэтому возникает трение качения; обычно оно значительно слабее трения скольжения. Смазка разделяет поверхности тонким слоем и уменьшает непосредственное сцепление их неровностей, а обработка может сделать контакт менее шероховатым. Колёса заменяют скольжение качением, а подшипники помогают деталям вращаться с меньшим сопротивлением. Чтобы увеличить сцепление, напротив, используют шероховатые материалы или сильнее прижимают поверхности.
| Свойство | Трение покоя | Трение скольжения | Трение качения |
|---|---|---|---|
| Когда возникает | Поверхности соприкасаются, но не скользят | Поверхности скользят друг по другу | Тело катится по поверхности |
| Направление силы | Против возможного скольжения | Против относительного скольжения | Против движения качения |
| Зависимость от силы нормального давления | Максимум обычно растёт с N | В школьной модели растёт с N | Обычно растёт с нагрузкой, точная зависимость зависит от условий |
| Характерная формула или соотношение | Fтр ≤ μN | Fтр = μN | Обычно меньше трения скольжения |
| Пример из повседневной жизни | Книга покоится на наклонной поверхности | Салазки скользят по снегу | Колесо катится по дороге |
Сначала определите, скользят ли поверхности или пока остаются неподвижными: от этого зависит вид трения. Формулу Fтр = μN применяют для трения скольжения, а для покоя учитывают предельное значение и условия равновесия. Сравнение строк показывает, почему колёса и подшипники помогают уменьшить сопротивление движению.
Брусок покоится на горизонтальном столе, к нему приложена горизонтальная сила 3 Н, и скольжения нет. Требуется определить силу трения. Поскольку скорость не меняется, горизонтальная равнодействующая должна быть равна нулю.
Ответ: сила трения равна 3 Н и направлена против приложенной силы.
Масса бруска равна 5 кг, коэффициент трения скольжения μ = 0,2, ускорение свободного падения g = 10 м/с². Нужно найти силу трения. Чтобы применить формулу Fтр = μN, сначала определим силу нормального давления.
Ответ: сила трения скольжения равна 10 Н.
Брусок массой 4 кг тянут горизонтально по столу силой 12 Н, коэффициент трения скольжения равен 0,2, g = 10 м/с². Требуется найти ускорение. Сначала выясним, какая сила остаётся после того, как тяга преодолеет трение.
Ответ: ускорение бруска равно 1 м/с².
Ошибка: считать силу трения покоя всегда равной μN. Так происходит, когда формулу для скольжения переносят на покой без учёта равновесия. Проверьте себя: если известна внешняя сила и тело неподвижно, сначала найдите трение из баланса сил, а μN используйте как предел.
Ошибка: направлять трение всегда против движения тела относительно Земли. Так думают, смешивая движение всего тела с движением поверхностей относительно друг друга. Определите возможное скольжение в месте контакта: именно ему противостоит трение.
Ошибка: подменять силу нормального давления весом тела. На горизонтальном столе без дополнительных вертикальных сил эти силы равны по модулю, поэтому частный случай принимают за общее правило. На наклонной плоскости или при вертикальном воздействии N может отличаться от mg; проверяйте силы перпендикулярно поверхности.
Ошибка: забывать направление трения при составлении уравнения движения. Тогда сопротивление могут ошибочно прибавить к тяге, хотя оно направлено против скольжения. Нарисуйте силы и выберите положительное направление оси: знак каждой силы в уравнении должен соответствовать её направлению.
Для изучения трения нужны понятия силы и равнодействующей, а также умение различать силу нормального давления и вес тела. Эти знания позволяют понять, когда тело находится в равновесии и как силы влияют на его ускорение. При решении задач о движении используют второй закон Ньютона и учитывают трение как одну из сил.
Та же модель применяется при движении по наклонной плоскости, торможении и расчёте условий равновесия. В задачах о транспорте трение помогает объяснить сцепление колёс с дорогой и остановку автомобиля. Поэтому важно находить не только величину трения, но и его направление.
Почему сила трения покоя не всегда равна μN?
Пока тело не скользит, трение покоя подстраивается под внешнюю силу и уравновешивает её. Величина μN задаёт лишь предельное значение, которого трение достигает перед началом скольжения.
Как определить направление силы трения?
Нужно определить, куда поверхности движутся или стремятся двигаться относительно друг друга. Сила трения направлена против этого относительного движения, а не обязательно против движения тела относительно Земли.
Почему сила трения зависит от силы нормального давления?
При большем прижатии поверхности сильнее взаимодействуют в местах контакта, поэтому обычно возрастает и трение. В школьной модели эту зависимость описывает формула Fтр = μN.
Может ли сила трения разгонять тело?
Да. Например, при ходьбе нога отталкивается от земли назад, а сила трения со стороны земли действует на человека вперёд. Она направлена против возможного скольжения стопы, а не обязательно против движения человека.
Как уменьшить или увеличить силу трения?
Трение уменьшают смазкой, сглаживанием поверхностей, а также применением колёс и подшипников. Увеличить его можно, например, сделав поверхности шероховатыми или сильнее прижав их друг к другу.
Силы трения
