"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Петрова М.А. и др.
Сила трения появляется при соприкосновении тел и влияет на то, начнётся ли движение, продолжится ли скольжение и как быстро движется тело. Она направлена вдоль поверхности контакта и препятствует относительному движению или его началу. Трение покоя удерживает тело на месте, а при скольжении возникает сила трения скольжения. Её модуль в простой модели рассчитывают по формуле Fтр = μN, где N — сила нормальной реакции опоры, μ — коэффициент трения. Понимание этих сил помогает объяснять сцепление обуви с землёй, движение транспорта и работу колёс.
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 возникновению. Она действует в области контакта поверхностей, поэтому помогает объяснить, почему предмет не начинает скользить сразу под действием небольшой силы.
Сила трения покоя — сила, препятствующая началу скольжения и принимающая необходимое для равновесия значение в определённых пределах. Её удобно учитывать, когда тело ещё не скользит, но на него уже действует сила, способная сдвинуть его.
Сила трения скольжения возникает, когда соприкасающиеся поверхности скользят друг относительно друга, и направлена против их относительной скорости. Это понятие позволяет находить силу, которая тормозит скользящий брусок или влияет на движение тела по поверхности.
Коэффициент трения μ — безразмерная величина, характеризующая взаимодействие поверхностей и связывающая силу трения скольжения с нормальной реакцией опоры. В формуле Fтр = μN буква N означает силу, с которой опора действует на тело перпендикулярно поверхности; μ зависит от соприкасающихся материалов и состояния поверхностей.
Даже гладкие на вид поверхности имеют микроскопические неровности. При контакте их выступы цепляются друг за друга, а молекулы соприкасающихся тел взаимодействуют и мешают поверхностям свободно смещаться. Чтобы сдвинуть одно тело относительно другого, необходимо преодолеть это сопротивление. Поэтому трение зависит не только от видимой шероховатости, но и от свойств материалов.
Сила трения возникает в месте контакта, поэтому её направление лежит вдоль поверхности соприкосновения, а не перпендикулярно ей. Если поверхности уже движутся друг относительно друга, трение направлено против их относительной скорости. Если скольжение ещё не началось, направление трения покоя противоположно тому, в котором контакт стремится сместиться из-за внешних сил. Так можно определять направление силы, не ориентируясь только на движение тела относительно Земли.
Трение покоя принимает такое значение, какое требуется для равновесия тела: при небольшой внешней силе оно невелико, а при увеличении силы возрастает. Например, если тянуть брусок вправо с силой 2 Н и он остаётся на месте, трение покоя направлено влево и равно 2 Н. У этой силы есть предел; когда необходимое для равновесия значение превысило бы максимум, тело начинает скользить. Поэтому нельзя считать трение покоя неизменным.
Во время скольжения сила трения зависит от того, насколько сильно поверхности прижаты друг к другу: чем больше нормальная реакция опоры N, тем обычно больше трение. Связь в принятой модели записывают как Fтр = μN, где μ — коэффициент трения для данной пары поверхностей. На горизонтальной поверхности при отсутствии других вертикальных сил N = mg, потому что реакция опоры уравновешивает силу тяжести. Если есть другие вертикальные силы или поверхность наклонена, N нужно находить отдельно.
При скольжении поверхности перемещаются друг по другу, и их неровности взаимодействуют по всей области контакта. При качении колесо последовательно касается новых участков поверхности, поэтому такое сопротивление обычно меньше, чем при скольжении. Именно поэтому груз легче перевозить на колёсах, чем тащить по земле. Трение качения всё же не исчезает полностью: его величина зависит от колеса и поверхности.
| Вид трения | Когда возникает | Направление силы | От чего зависит |
|---|---|---|---|
| Трение покоя | Тела соприкасаются, но не скользят друг относительно друга | Против возможного начала относительного движения | От внешних сил до предельного значения; предел связан с прижатием и поверхностями |
| Трение скольжения | Одна поверхность скользит по другой | Против относительной скорости поверхностей | От нормальной реакции опоры и коэффициента трения: Fтр = μN |
| Трение качения | Тело катится по поверхности | Против движения качения | От свойств колеса и поверхности, нагрузки и условий контакта |
Сначала определите, движется ли тело относительно опоры: если нет, рассматривайте трение покоя, а если скользит — трение скольжения. Для тела на колёсах нужно учитывать трение качения, которое обычно слабее сопротивления скольжению. Направление силы устанавливайте по относительному движению или по тому, куда оно началось бы без трения.
Брусок лежит на горизонтальном столе, и к нему приложена горизонтальная сила 3 Н. Он остаётся неподвижным, поэтому по горизонтали его ускорение равно нулю. Силы по этой оси должны уравновешивать друг друга: трение покоя направлено противоположно приложенной силе.
Ответ: сила трения покоя равна 3 Н и направлена против приложенной силы.
Брусок массой 5 кг равномерно движется по горизонтальному столу; коэффициент трения скольжения равен 0,2. Равномерное движение означает, что ускорение равно нулю, но для нахождения силы трения достаточно определить нормальную реакцию опоры. В вертикальном направлении других сил, кроме тяжести и реакции опоры, нет, поэтому N = mg.
Ответ: сила трения скольжения равна 10 Н и направлена против скольжения бруска.
Масса тележки равна 20 кг, сила тяги — 60 Н, коэффициент трения скольжения — 0,1. Требуется найти ускорение, поэтому сначала выясним, какая сила остаётся после вычитания сопротивления из силы тяги. По вертикали тележка не ускоряется, значит, нормальная реакция равна силе тяжести.
Ответ: ускорение тележки равно 2 м/с².
Ошибка: считать силу трения покоя всегда равной μN. Так думают, потому что используют формулу скольжения для любого контакта, но покоящееся тело получает именно ту силу трения, которая нужна для равновесия, пока не достигнут предел. Проверьте, скользит ли тело: формула Fтр = μN описывает трение скольжения, а для покоя задачу решают по равновесию. Значение μN можно рассматривать как предельное значение силы трения покоя в соответствующей модели.
Ошибка: направлять трение всегда против движения тела относительно Земли. Это правило не учитывает, что трение определяется движением поверхностей друг относительно друга в месте контакта. Определите, куда тело скользит относительно опоры или куда оно начало бы смещаться без трения. Например, при взаимодействии колеса с дорогой сила трения может разгонять транспорт, а не тормозить его.
Ошибка: путать силу трения с нормальной реакцией опоры. Их иногда смешивают, потому что обе силы возникают при контакте тел, но нормальная реакция направлена перпендикулярно поверхности, а трение — вдоль неё. Нарисуйте силы отдельно и проверьте их направления. В формуле Fтр = μN реакция опоры задаёт модуль трения, но не является самой силой трения.
Ошибка: подставлять массу тела вместо реакции опоры в формулу Fтр = μN. Путаница возникает потому, что на горизонтальной поверхности часто используют равенство N = mg. Сначала найдите N из условия по вертикали, а затем подставляйте её в формулу; на наклонной плоскости или при дополнительных вертикальных силах результат будет другим. Масса и реакция опоры имеют разные единицы измерения, поэтому подстановка одной вместо другой сразу обнаруживается при проверке.
Чтобы решать задачи о трении, нужно уметь выделять силы, применять второй закон Ньютона и условие равновесия. Нормальная реакция опоры находится из рассмотрения сил перпендикулярно поверхности, поэтому важно отличать её от силы тяжести. Эти знания пригодятся при изучении движения по наклонной плоскости и расчёте равнодействующей сил. Трение также объясняет сцепление транспорта с дорогой, особенности перемещения грузов и способы уменьшения сопротивления.
Почему сила трения возникает даже у неподвижного тела?
Тело может быть неподвижным относительно поверхности, но внешняя сила уже стремится сдвинуть его. В месте контакта возникает трение покоя, которое препятствует началу относительного движения. Пока тело не сдвинулось, эта сила может уравновешивать приложенную силу.
Почему сила трения покоя может быть разной?
Она подстраивается под внешнюю силу, стремящуюся сдвинуть тело, чтобы сохранялось равновесие. Например, если тянуть слабее, трение покоя тоже меньше. Но оно не может превысить предельное значение.
Всегда ли сила трения направлена против движения тела?
Нет: сила трения противодействует относительному движению или его возможному началу именно в месте контакта. Поэтому она может быть направлена не против движения тела относительно Земли, а, например, помогать телу разгоняться за счёт сцепления с поверхностью.
Как определить силу нормальной реакции опоры?
Нужно рассмотреть силы, действующие перпендикулярно поверхности, и применить второй закон Ньютона. На горизонтальной поверхности без вертикального ускорения и дополнительных вертикальных сил N = mg. В других условиях реакция опоры может отличаться от веса тела.
Почему колёса помогают уменьшить сопротивление движению?
При качении поверхности не скользят друг по другу так, как при волочении тела. Поэтому сопротивление качению обычно меньше силы трения скольжения. Это позволяет перемещать тяжёлые грузы с меньшим усилием.
§ 20. Сила трения
