§ 17. Трение в природе и технике

Определения и обозначения

Сила трения — сила, возникающая при соприкосновении тел и препятствующая их относительному движению. Она появляется между поверхностями, когда одна из них пытается двигаться относительно другой. Это понятие нужно, чтобы объяснять ходьбу, торможение, работу механизмов и износ деталей.

Трение покоя — трение, сохраняющее неподвижность соприкасающихся тел относительно друг друга. Оно действует даже тогда, когда тело ещё не движется, если внешняя сила пытается сдвинуть его. Благодаря трению покоя предмет не соскальзывает, а нога не проскальзывает при шаге.

Трение скольжения — трение, возникающее при движении одного тела по поверхности другого. В этом случае соприкасающиеся поверхности перемещаются друг относительно друга. С ним связаны движение саней, письмо карандашом и торможение.

Трение качения — трение, возникающее при качении одного тела по поверхности другого. Оно наблюдается у колёс, роликов и шариков подшипников. Этот вид трения важен потому, что обычно позволяет перемещать тяжёлые предметы с меньшим усилием.

Как это устроено

Даже гладкие на вид поверхности имеют микроскопические неровности. Когда тела соприкасаются, выступы одной поверхности цепляются за выступы другой и мешают скольжению. Кроме того, частицы разных тел притягиваются и взаимодействуют на участках контакта, поэтому для движения нужно приложить силу.

Сила трения направлена противоположно относительному движению поверхностей или его возможному началу. Если брусок скользит вправо, поверхность действует на него силой трения влево. Такое направление объясняется тем, что трение не поддерживает сдвиг, а противодействует ему.

Трение покоя отличается от трения скольжения отсутствием скольжения поверхностей. Например, книга на наклонной доске может оставаться на месте, потому что сила трения покоя уравновешивает составляющую силы тяжести вдоль доски. Но если наклон увеличить настолько, что предельного трения станет недостаточно, книга начнёт двигаться.

При скольжении неровности поверхностей постоянно зацепляются и деформируются, поэтому сопротивление обычно велико. При качении место контакта всё время меняется, а поверхности меньше сдвигаются друг относительно друга. Поэтому трение качения обычно меньше трения скольжения, что объясняет применение колёс, роликов и шариковых подшипников.

В технике трение увеличивают, когда нужно надёжное сцепление: делают поверхности шероховатыми, используют протекторы, шипы и сильнее прижимают детали. Уменьшить трение помогают смазка, тщательная обработка поверхностей, колёса и подшипники. Тормоза, наоборот, специально создают большое трение, чтобы остановить транспорт.

Виды трения и их проявления

Сначала определите, движутся ли поверхности друг относительно друга, скользят или катятся. Затем по столбцу с направлением установите, куда направлена сила трения. Последний столбец помогает выбрать способ изменения трения в конкретной ситуации.

Разбор задач

Ходьба по горизонтальной дороге

Условие. Объясните, почему человек может идти по горизонтальной дороге и в каком направлении действует сила трения на его стопу. Нужно учесть, что стопа соприкасается с дорогой и не должна проскальзывать. Поэтому рассматриваем не только движение человека, но и возможное движение стопы относительно дороги.

1. При отталкивании человек давит стопой на дорогу назад.
2. Без трения стопа начала бы скользить назад относительно поверхности.
3. Сила трения покоя направлена противоположно этому возможному скольжению, то есть вперёд.

Ответ. Человек идёт благодаря трению покоя между стопой и дорогой. На стопу сила трения действует вперёд, помогая всему телу двигаться вперёд.

Ящик волоком и на колёсах

Условие. Сравните силу, необходимую для перемещения тяжёлого ящика волоком и на колёсах. Объясните, почему при использовании колёс усилие меньше. Предполагаем, что вес ящика и состояние дороги в обоих случаях одинаковы.

1. При перемещении волоком ящик скользит по дороге, поэтому возникает трение скольжения.
2. При установке ящика на колёса контакт с дорогой перемещается за счёт качения.
3. Трение качения обычно меньше трения скольжения, значит, для движения нужна меньшая сила.

Ответ. Легче перемещать ящик на колёсах. Колёса заменяют скольжение качением и уменьшают сопротивление движению.

Сцепление зимой и работа подшипников

Условие. Предложите способы увеличить сцепление автомобильных шин с зимней дорогой и уменьшить трение в подшипниках. В первой части нужна надёжная передача движения без проскальзывания. Во второй части требуется уменьшить потери энергии и износ деталей.

1. Для шин увеличивают шероховатость контакта с дорогой: используют зимний протектор и шипы, а также поддерживают правильное прижатие колеса.
2. В подшипнике применяют шарики или ролики, чтобы заменить скольжение качением.
3. Соприкасающиеся детали подшипника смазывают, уменьшая сопротивление, нагрев и износ.

Ответ. Зимой сцепление повышают протектором и шипами. В подшипниках трение уменьшают качением и смазкой.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что трение всегда мешает движению. Так думают из-за сопротивления и нагрева, но без трения невозможны ходьба, торможение и передача движения. Проверка: найдите, что произойдёт, если поверхности станут совершенно скользкими.

Ошибка: направлять силу трения по движению тела. Причина в том, что путают движение всего тела с относительным движением соприкасающихся поверхностей. Проверка: определите, куда поверхность скользила бы или начала бы скользить, и направьте трение в противоположную сторону.

Ошибка: считать отсутствие движения доказательством отсутствия силы трения. Тело может покоиться, потому что трение уравновешивает внешнюю силу. Проверка: представьте, пытается ли какая-либо сила сдвинуть тело.

Ошибка: утверждать, что трение зависит только от площади соприкосновения. Для школьного объяснения важнее сила прижатия и свойства поверхностей, а одинаковая площадь не означает одинаковое сцепление. Проверка: сравните гладкие и шероховатые поверхности при одинаковом прижатии.

Связь с другими темами

Для понимания трения нужны знания о взаимодействии тел, силах, направлении равнодействующей и равновесии. Они помогают определить, какая сила действует на тело и почему оно остаётся в покое или начинает двигаться.

Тема связана с движением тел, механической работой и давлением. При трении часть энергии превращается во внутреннюю энергию, поэтому поверхности нагреваются, а на работу приходится затрачивать дополнительную силу.

Знания о трении используют при изучении машин и безопасности транспорта. Они объясняют устройство тормозов, шин, конвейеров и подшипников, а также способы уменьшения износа деталей.

Что запомнить

• Сила трения возникает при соприкосновении тел.
• Сила трения направлена против относительного движения или возможного движения.
• Трение покоя препятствует началу скольжения.
• Трение скольжения возникает при движении одного тела по поверхности другого.
• Трение качения обычно меньше трения скольжения.
• Трение можно увеличивать и уменьшать, изменяя свойства поверхностей и силу их прижатия.
• Трение бывает полезным и вредным.