"Физика (изд. ВЕНТАНА-ГРАФ)", Хижнякова Л.С., Синявина А.А.
Сила трения покоя возникает, когда соприкасающиеся поверхности не скользят друг по другу, но одна из них пытается сдвинуть другую. Она помогает предметам оставаться на месте, а обуви и колёсам — держаться за опору. Сила трения покоя не постоянна: пока тело сохраняет покой, она подстраивается под приложенную силу. Но у неё есть предел: если его превысить, начинается скольжение, и действует уже сила трения скольжения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сила трения покоя — сила, возникающая между соприкасающимися поверхностями без их относительного движения; она препятствует началу скольжения. Иными словами, поверхности ещё не скользят, но трение не даёт им начать скользить. Это понятие помогает объяснить, почему предмет может оставаться неподвижным, даже когда его толкают.
Максимальная сила трения покоя — наибольшее значение, которого может достичь сила трения покоя перед началом скольжения. Пока приложенная сила не превышает этот предел, покой может сохраняться. Это значение нужно, чтобы определить, при какой силе предмет начнёт сдвигаться.
Сила трения скольжения — сила, возникающая при движении одной поверхности по другой и направленная против этого движения. Она действует уже после того, как относительный сдвиг начался. Это понятие позволяет отличить сопротивление скольжению от силы, которая удерживает поверхности в покое.
Когда мы толкаем предмет, соприкасающиеся поверхности пытаются сместиться одна относительно другой. В ответ возникает сила трения покоя: без неё предмет начал бы скользить по опоре. На уровне соприкосновения поверхности не идеально гладкие, поэтому их взаимодействие мешает сдвигу. Пока относительного движения нет, это именно трение покоя.
Направление трения определяют не по тому, куда движется всё тело, а по возможному сдвигу поверхностей друг относительно друга. Например, если толкнуть коробку вправо, её нижняя поверхность стремится сдвинуться вправо по столу, поэтому трение со стороны стола направлено влево. Так трение противодействует причине возможного скольжения. Если тело движется вместе с опорой без скольжения, трение покоя при этом может быть направлено и не против движения тела.
Если коробка остаётся неподвижной, её ускорение равно нулю, значит, силы вдоль стола должны уравновешиваться. Поэтому при толчке вправо силой 3 Н трение покоя направлено влево и тоже равно 3 Н, если других горизонтальных сил нет. Стоит изменить толчок — и сила трения покоя тоже может измениться. Она не обязана быть равна одному и тому же значению во всех ситуациях.
У трения покоя есть верхняя граница: поверхности могут сопротивляться сдвигу лишь до определённого предела. Когда толчок усиливают, трение растёт, чтобы сохранять равновесие, но после достижения максимальной силы уже не может уравновесить дальнейшее увеличение. Тогда поверхности начинают скользить. Непосредственно перед началом скольжения трение покоя достигает своего максимального значения.
Трение покоя помогает удерживать предмет на наклонной поверхности: без него предмет скользил бы вниз, а трение направлено вверх по склону. Оно же позволяет обуви отталкиваться от земли, не проскальзывая, и обеспечивает сцепление колёс с дорогой. В этих случаях поверхность не скользит относительно опоры в месте контакта, поэтому действует именно трение покоя. Если сцепления не хватает, начинается скольжение.
| Характеристика | Трение покоя | Трение скольжения |
|---|---|---|
| Когда возникает | Поверхности соприкасаются, но не скользят друг по другу. | Одна поверхность скользит по другой. |
| Направление силы | Против возможного относительного сдвига. | Против относительного движения поверхностей. |
| Как изменяется модуль силы | Меняется вслед за силой, вызывающей возможный сдвиг. | Действует во время скольжения; не уравновешивает приложенную силу автоматически. |
| Предельное значение или условие изменения режима | Не превышает максимального значения; его превышение приводит к скольжению. | Возникает после начала скольжения. |
| Пример из быта | Обувь не проскальзывает при ходьбе. | Книга скользит по столу. |
Сначала определите, скользят ли поверхности друг относительно друга: это главный признак, который отличает два вида трения. Затем сравните направление силы с возможным сдвигом или уже существующим скольжением. Таблица также напоминает, что трение покоя меняется, а при начале скольжения режим взаимодействия становится другим.
В каждой задаче сначала выясняем, покоится ли тело, и рассматриваем силы вдоль поверхности. Если скольжения нет, трение покоя может уравновешивать приложенную силу, но только до своего предела. Как только тело начинает скользить, вместо него рассматривают трение скольжения.
К покоящемуся бруску на горизонтальном столе прикладывают горизонтальную силу 2 Н, но брусок не сдвигается. Требуется определить модуль и направление силы трения покоя.
Ответ: 2 Н, против приложенной силы.
Приложенную к покоящемуся на столе бруску горизонтальную силу постепенно увеличивают; движение начинается при силе 7 Н. Нужно найти максимальную силу трения покоя и описать трение непосредственно перед движением.
Ответ: 7 Н; непосредственно перед началом движения трение покоя достигает максимума.
На брусок действуют сила 5 Н вправо и сила трения 5 Н влево. Затем приложенную силу увеличивают до 9 Н, и брусок начинает скользить. Нужно объяснить покой сначала и смену вида трения после сдвига.
Ответ: сначала брусок покоился из-за равновесия сил; после начала скольжения действует трение скольжения, а его значение нельзя определить по условию как 9 Н.
Считают, что сила трения покоя всегда имеет одно и то же значение. Так можно подумать, если запомнить её только для одного примера, но в действительности она меняется вместе с приложенной силой, пока тело не скользит. Проверка: сравните толчки разной силы и убедитесь, что покой может сохраняться при разных значениях трения.
Полагают, что сила трения покоя всегда равна максимальной. Максимум достигается только перед началом скольжения, а при слабом толчке трение меньше. Проверьте себя: если приложенная сила мала и предмет покоится, достаточно ли было бы трения, равного предельному, для равновесия? Нет, силы тогда не уравновешивались бы.
Направляют трение покоя против движения тела. Это неверно, потому что сила препятствует возможному относительному сдвигу соприкасающихся поверхностей, а не обязательно движению всего тела. Чтобы проверить направление, представьте, куда поверхности сдвинулись бы без трения. Силу направьте противоположно этому сдвигу.
Продолжают называть трение силой трения покоя после начала скольжения. Ошибка возникает, если не заметить, что режим взаимодействия изменился. Проверьте условие задачи: если поверхности уже скользят, нужно говорить о трении скольжения и не приписывать ему свойства трения покоя.
Для разбора сил нужно знать, что сила — векторная величина: у неё есть модуль и направление. Поэтому важно уметь показывать стрелкой, куда направлена сила трения. Также понадобится равновесие тела: если оно покоится, равнодействующая сил равна нулю, и силы вдоль поверхности должны компенсировать друг друга. Эти знания помогают решать задачи о трении скольжения, движении по наклонной плоскости и сцеплении колёс с дорогой.
Почему предмет не сдвигается, хотя на него действует горизонтальная сила?
Поверхность опоры создаёт силу трения покоя, направленную против возможного сдвига. Пока эта сила уравновешивает приложенную силу, равнодействующая вдоль поверхности равна нулю, и предмет остаётся на месте.
Всегда ли сила трения покоя равна приложенной силе?
Если предмет покоится и вдоль поверхности на него действует только эта приложенная сила и сила трения, то их модули равны, а направления противоположны. Трение покоя меняется вместе с приложенной силой, но не может превышать своего максимального значения.
Как понять, куда направлена сила трения покоя?
Определите, в какую сторону поверхности сдвигались бы относительно друг друга без трения. Сила трения покоя направлена против этого возможного сдвига, а не обязательно против движения тела как целого.
Что происходит, когда приложенная сила достигает максимальной силы трения покоя?
Трение покоя достигает предельного значения, и тело находится на грани начала скольжения. Если приложенная сила становится больше этого предела, поверхности начинают скользить друг по другу и возникает трение скольжения.
Чем сила трения покоя отличается от силы трения скольжения?
Трение покоя действует, пока соприкасающиеся поверхности не скользят друг по другу, и приспосабливается к силе, пытающейся вызвать сдвиг. Трение скольжения возникает при уже начавшемся относительном движении и направлено против него.
§ 24. Сила трения покоя
