§ 16. Сила трения

Определения и обозначения

Сила трения — сила, возникающая при соприкосновении тел и препятствующая их относительному движению. Она обозначается Fтр и может замедлять тело или не давать ему сдвинуться. Без неё было бы невозможно ходить и удерживать предметы.

Трение покоя — трение, сохраняющее тело в покое при попытке сдвинуть его. Например, пол не даёт шкафу начать движение сразу после лёгкого толчка. Этот вид трения объясняет, почему приложенная сила может действовать, а тело всё равно оставаться неподвижным.

Трение скольжения — трение, возникающее при скольжении одного тела по поверхности другого. Оно действует, когда санки едут по снегу или брусок перемещают по столу. Для такого трения в школьных задачах часто применяют формулу Fтр = μN.

Трение качения — трение, возникающее при качении тела по поверхности. Так движутся колёса велосипеда или шарик по дорожке. Сравнение этого трения со скольжением помогает понять, почему груз легче перевозить на колёсах.

Как это устроено

На вид гладкие поверхности на самом деле покрыты маленькими неровностями. При соприкосновении эти неровности цепляются друг за друга, а выступы деформируются и мешают поверхностям свободно перемещаться. Поэтому сила трения появляется даже там, где поверхность кажется отполированной.

Есть и другая причина трения: частицы разных тел взаимодействуют на небольшом расстоянии. В местах контакта возникают силы притяжения и отталкивания, которые приходится преодолевать при движении. Чем сильнее поверхности прижаты и чем больше их соприкосновение на уровне микронеровностей, тем заметнее сопротивление.

Сила трения направлена противоположно движению или тому направлению, в котором тело могло бы начать двигаться. Благодаря этому она уменьшает скорость скользящего тела либо уравновешивает толкающую силу. При трении покоя направление определяют не по скорости, а по возможному сдвигу.

Трение покоя возникает до начала движения и подстраивается под приложенную силу, пока не достигнет предела. Трение скольжения действует после начала скольжения, а трение качения — когда тело катится и непрерывно меняет точки контакта с поверхностью. Обычно качение требует меньшей силы, потому что здесь почти нет взаимного скольжения поверхностей.

Величина трения зависит прежде всего от силы прижатия и свойств материалов. Для трения скольжения в простой школьной модели используют зависимость Fтр = μN: при увеличении N сила трения возрастает пропорционально. Коэффициент трения μ показывает, насколько сильно взаимодействуют данные поверхности; он зависит от материалов, шероховатости, чистоты и наличия смазки.

Виды трения и их особенности

Сначала определите, движется тело с проскальзыванием, катится или пока остаётся неподвижным. Затем выберите соответствующую строку и проверьте, какие силы и свойства поверхностей влияют на результат.

Строка о сравнении величин напоминает: одинаковый груз обычно легче катить, чем тащить волоком. Формулу Fтр = μN применяют прежде всего к трению скольжения, а не автоматически ко всем видам трения.

Разбор задач

Задача 1. Ящик массой 10 кг равномерно тянут по горизонтальному полу. Коэффициент трения равен 0,2. Найдём силу трения, считая g = 10 Н/кг.

1. На горизонтальный ящик вниз действует сила тяжести mg, а вверх — сила давления пола N. Вертикального ускорения нет, поэтому N = mg.
2. Вычислим давление: N = 10 кг · 10 Н/кг = 100 Н.
3. Для скольжения применим формулу Fтр = μN: Fтр = 0,2 · 100 Н = 20 Н.

Ответ: сила трения равна 20 Н. Равномерное движение означает, что сила тяги по горизонтали в данном случае также равна 20 Н.

Задача 2. К бруску прикладывают горизонтальную силу, постепенно увеличивая её, но брусок сначала остаётся неподвижным. Нужно объяснить изменение силы трения.

1. Пока брусок покоится, действует трение покоя, направленное против приложенной силы.
2. Если толкать сильнее, трение покоя тоже увеличивается и уравновешивает толчок. Поэтому равнодействующая сил остаётся нулевой.
3. Когда приложенная сила превысит предельное трение покоя, брусок начнёт скользить. После этого действует трение скольжения, которое обычно немного меньше предельного трения покоя.

Ответ: сила трения покоя возрастает вместе с толкающей силой до максимального значения, а затем брусок начинает двигаться.

Задача 3. Сравним силы, необходимые для перемещения одного и того же груза волоком и на колёсах. При волочении поверхности скользят, а при движении на колёсах груз в основном катится.

1. В первом случае возникает трение скольжения: контактирующие участки поверхностей непрерывно перемещаются друг относительно друга.
2. Во втором случае возникает трение качения, при котором скольжение значительно меньше, а деформации контакта обычно слабее.
3. При одинаковой нагрузке сопротивление качению обычно меньше сопротивления скольжению, поэтому и требуемая сила меньше.

Ответ: груз легче перемещать на колёсах. Это не означает полного исчезновения трения: оно уменьшается, но сохраняется из-за деформации колёс и дороги.

Типичные ошибки

Направляют силу трения по движению тела. Так бывает, если учитывать только толкающую силу и забывать о сопротивлении. Проверьте себя: сила трения должна быть направлена против относительного движения или его возможного направления.

Считают, что трение бывает только у движущихся тел. Тогда непонятно, почему шкаф не сдвигается от небольшого толчка. Спросите себя, пытается ли тело начать движение: если да, возможно трение покоя.

Всегда используют Fтр = μN. Эта формула описывает трение скольжения в принятой модели, а трение покоя меняется вместе с приложенной силой и имеет предел. Сначала определите вид трения, а уже потом выбирайте формулу.

Связывают силу трения только с площадью контакта. В школьной модели при скольжении она главным образом определяется силой прижатия и свойствами поверхностей. Проверьте условие задачи: если материал и N не изменились, простое увеличение площади обычно не меняет расчётную силу.

Связь с другими темами

До изучения трения нужны понятия силы, равнодействующей, силы тяжести, веса и равновесия. Они помогают правильно изобразить силы и найти N — силу давления на поверхность.

С законами Ньютона трение связано напрямую: оно входит в равнодействующую и может изменять скорость тела. Поэтому по силам трения можно объяснять разгон, торможение и равномерное движение.

Дальше эти знания пригодятся при изучении наклонной плоскости, механической работы и устройства машин. В технике трение специально увеличивают или уменьшают с помощью покрытий, смазки, колёс и подшипников.

Что запомнить

• Сила трения возникает при соприкосновении тел.
• Сила трения направлена против движения или возможного движения.
• Различают трение покоя, скольжения и качения.
• Трение покоя может удерживать тело неподвижным.
• Для трения скольжения используют формулу Fтр = μN.
• Коэффициент трения зависит от материалов и состояния поверхностей.
• Трение качения обычно меньше трения скольжения.