"Физика", Кабардин О.Ф.
Сила трения появляется, когда соприкасаются поверхности тел, и мешает им скользить друг относительно друга. Благодаря трению мы можем ходить, удерживать предметы и тормозить, а колёса и механизмы не проскальзывают без необходимости. Но трение может замедлять движение и изнашивать детали, поэтому его иногда увеличивают, а иногда уменьшают. Разберём, какие бывают виды трения, куда направлена эта сила и как решать задачи с ней.
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. Её обозначают Fтр и измеряют в ньютонах (Н), как и другие силы. Это обозначение помогает отличать трение от силы тяги, тяжести и других сил в задаче.
Сила трения покоя — сила, которая не даёт соприкасающимся телам начать скользить друг относительно друга. Она меняется в зависимости от приложенной силы: например, чем сильнее мы толкаем неподвижную книгу, тем большее трение покоя может ей противодействовать. Это понятие объясняет, почему предмет не всегда сдвигается от небольшого толчка.
Сила трения скольжения возникает, когда одна соприкасающаяся поверхность скользит по другой, и направлена против этого движения. Она действует, например, на санки, которые едут по снегу. Это понятие нужно, чтобы описывать, почему скользящий предмет замедляется.
Сила трения качения препятствует качению тела по поверхности. Она обычно меньше силы трения скольжения, поэтому предмет легче перемещать на колёсах, чем тащить волоком. Это свойство используют в транспорте и механизмах.
Даже на вид гладкие поверхности имеют мелкие неровности. Когда тела соприкасаются, выступы цепляются друг за друга, а частицы поверхностей взаимодействуют; из-за этого для скольжения нужно приложить силу. Так возникает трение, которое нельзя объяснить только заметными царапинами или шероховатостью: взаимодействие частиц тоже имеет значение.
Чтобы определить направление трения, рассматривают не просто движение тела относительно земли, а скольжение одной поверхности относительно другой или его возможность. Если нижняя поверхность пытается проскользнуть назад относительно пола, сила трения со стороны пола может быть направлена вперёд. Поэтому трение при ходьбе помогает человеку двигаться, хотя сам человек идёт вперёд. В задачах сначала выясняют, в какую сторону поверхности скользили бы без трения.
Сила трения скольжения зависит от того, из каких материалов сделаны поверхности и в каком они состоянии. Шероховатые поверхности обычно сильнее цепляются, а гладкие или смазанные — легче скользят, хотя гладкость не означает полного отсутствия трения. Влияет и сила прижатия: чем сильнее поверхности давят друг на друга, тем труднее сдвигать их неровности и тем больше трение. Поэтому при сравнении трения важно учитывать не только материал.
Три вида трения различаются тем, что происходит с соприкасающимися поверхностями. Трение покоя удерживает предмет на месте, пока приложенная сила не преодолеет его сопротивление; трение скольжения действует во время скольжения. Если вместо скольжения тело катится, возникает трение качения: именно поэтому чемодан на колёсах обычно легче везти, чем тащить. При качении сопротивление не исчезает, но чаще оказывается меньше, чем при скольжении.
Трение полезно, когда нужно сцепление: без него подошва скользила бы по полу, а тормоза не могли бы замедлять колёса. Но в механизмах трение может нагревать и изнашивать детали, а также мешать движению. Его увеличивают, например, рельефным протектором шин, который помогает колёсам цепляться за дорогу. Чтобы уменьшить трение, детали смазывают или используют подшипники: они помогают заменить скольжение качением, но не устраняют сопротивление полностью.
| Вид трения | Когда возникает | Как направлена | Пример или применение |
|---|---|---|---|
| Трение покоя | До начала скольжения поверхностей | Против возможного скольжения | Книга не сдвигается от слабого толчка |
| Трение скольжения | При скольжении одной поверхности по другой | Против относительного скольжения | Брусок движется по столу |
| Трение качения | Когда тело катится по поверхности | Против качения | Колесо велосипеда катится по дороге |
| Способы увеличить трение | Когда нужно улучшить сцепление поверхностей | Направление силы не меняется | Протектор на шине, рельефная подошва |
| Способы уменьшить трение | Когда нужно облегчить движение или снизить износ | Направление силы не меняется | Смазка, подшипники |
В таблице сначала найдите, как движутся поверхности: это помогает выбрать нужный вид трения. Затем сравните направление силы с направлением скольжения или возможного скольжения. Последние две строки показывают, как изменяют сцепление в зависимости от задачи.
К книге, лежащей на столе, прикладывают небольшую горизонтальную силу, но книга остаётся неподвижной. Нужно определить, какая сила препятствует её движению и куда она направлена. Считаем, что книга не скользит относительно стола.
Ответ: книгу удерживает сила трения покоя, направленная противоположно приложенной силе.
Брусок равномерно тянут по горизонтальной поверхности, сила тяги равна 3 Н. Нужно найти силу трения скольжения и указать её направление. Равномерное движение означает, что скорость не меняется, поэтому горизонтальные силы уравновешены.
Ответ: сила трения скольжения равна 3 Н и направлена противоположно силе тяги.
Одинаковые бруски тянут равномерно по двум поверхностям с разным покрытием. Для первой поверхности нужна сила тяги 2 Н, для второй — 5 Н; требуется сравнить трение и объяснить разницу. Поскольку движение в обоих случаях равномерное, тяга уравновешивает трение.
Ответ: сила трения на второй поверхности больше на 3 Н; она равна 5 Н, а на первой — 2 Н.
Ошибка: считать, что сила трения всегда направлена против движения тела относительно земли. Так думают, потому что часто рассматривают брусок, который тащат вперёд. Но для определения направления нужно проверить, как поверхности скользят или могли бы скользить друг относительно друга. Нарисуйте это возможное скольжение — сила трения будет направлена против него.
Ошибка: полагать, что неподвижное тело не испытывает трения. Кажется, что раз движения нет, то и сила отсутствует, но трение покоя может уравновешивать толчок. Проверьте, действует ли на тело сила, которая пытается сдвинуть его: если оно остаётся на месте, трение покоя может этому препятствовать.
Ошибка: смешивать трение покоя и трение скольжения. Их путают, потому что обе силы возникают при контакте поверхностей и мешают относительному движению. Спросите себя, началось ли скольжение: до него действует трение покоя, во время него — трение скольжения.
Ошибка: думать, что трение всегда вредно или что смазка устраняет его полностью. Из-за нагрева и износа трение в механизмах стараются уменьшить, однако без сцепления трудно ходить или тормозить. Проверьте, для чего нужно трение в конкретной ситуации: смазка уменьшает его, но не делает равным нулю.
Для изучения трения нужно знать, что такое сила, уметь изображать её стрелкой и помнить, что силы измеряют в ньютонах. Трение связано с законами движения и равновесием: оно может уравновесить приложенную силу или изменить движение тела. Позже это понятие поможет объяснять сопротивление движению, работу и энергию, а также действие механизмов. Например, при разборе механизма важно учитывать, что трение влияет на движение и может вызывать нагрев деталей.
Почему сила трения возникает даже у неподвижного тела?
Если к телу приложена сила, которая пытается сдвинуть его, трение покоя может ей противодействовать. Поэтому тело остаётся неподвижным, хотя сила трения действует.
Как определить направление силы трения?
Нужно определить, в какую сторону поверхности скользят или могли бы скользить друг относительно друга. Сила трения направлена против этого скольжения, а не обязательно против движения тела относительно земли.
Чем трение покоя отличается от трения скольжения?
Трение покоя мешает поверхностям начать скользить и подстраивается под приложенную силу. Трение скольжения возникает, когда поверхности уже движутся друг относительно друга.
От чего зависит сила трения?
Она зависит от материала и состояния соприкасающихся поверхностей, например от их шероховатости или наличия смазки. Также имеет значение, насколько сильно поверхности прижаты друг к другу.
Почему трение качения обычно меньше трения скольжения?
При качении поверхности не скользят непрерывно одна по другой: телу не приходится сдвигать их участки так, как при скольжении. Поэтому сопротивление качению обычно меньше, хотя оно не исчезает полностью.
§ 19. Сила трения
