"Физика. Механика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Сила трения возникает при контакте тел и мешает их поверхностям скользить друг относительно друга или начать скольжение. Она позволяет ходить, разгонять и тормозить автомобиль, удерживать предметы, но может нагревать и изнашивать детали. Различают трение покоя, скольжения и качения. Чтобы правильно определить направление силы трения, нужно смотреть не только на движение тела, но и на возможное движение одной поверхности относительно другой.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сила трения — сила взаимодействия соприкасающихся тел, направленная вдоль поверхности контакта и препятствующая их относительному движению или его возникновению. Она появляется на границе тел, когда поверхности соприкасаются. Это понятие помогает объяснить, почему тело не всегда свободно скользит по опоре.
Трение покоя — сила трения между телами, которые не скользят друг относительно друга; её значение приспосабливается к действующей силе до предельного значения. Например, книга остаётся неподвижной, хотя её слегка толкают. Это понятие нужно, чтобы описывать равновесие тел, которым только пытаются сообщить движение.
Трение скольжения возникает, когда одно тело скользит по поверхности другого, и направлено против относительной скорости скольжения. Оно действует, например, на ящик, который тянут по полу. В простой школьной модели его величину записывают как Fтр = μN, где μ зависит от материалов, а N — сила реакции опоры.
Трение качения — сопротивление движению тела, катящегося по поверхности; обычно оно значительно меньше трения скольжения. Оно возникает, например, при перемещении груза на колёсах. Это понятие объясняет, почему катить предмет часто легче, чем тащить его волоком.
Соприкасающиеся поверхности не идеально гладкие: у них есть микроскопические выступы и впадины. При попытке сдвинуть одно тело эти неровности цепляются друг за друга, а частицы на границе тел взаимодействуют. Поэтому для начала скольжения нужна сила, преодолевающая сопротивление контакта. Чем сильнее поверхности прижаты, тем заметнее обычно это сопротивление.
Пока тело покоится, трение не обязано сразу принимать наибольшее возможное значение. Если приложенная вдоль поверхности сила мала, трение покоя уравновешивает именно её; при усилении толчка оно тоже возрастает. Так сохраняется равновесие, пока приложенная сила не превысит предельное значение трения покоя. После этого поверхности начинают скользить относительно друг друга.
При скольжении выступы поверхностей постоянно взаимодействуют и деформируются, а некоторые контакты частиц нарушаются. На это расходуется энергия, поэтому движению мешает сила трения скольжения. Её направление противоположно относительной скорости поверхностей, а величина зависит от материалов и силы прижатия. В школьных задачах часто используют модель Fтр = μN, но коэффициент μ нельзя считать одинаковым для любых поверхностей.
Трение необходимо для ходьбы: человек отталкивается ногой от земли, и сцепление не даёт стопе проскользнуть назад. Похожим образом колесо автомобиля при разгоне толкает дорогу назад, а дорога действует на колесо силой трения вперёд. Благодаря этой силе автомобиль получает ускорение; при торможении взаимодействие колёс с дорогой помогает уменьшить скорость. Если сцепления недостаточно, ноги или колёса скользят.
Контакт поверхностей полезен, когда нужно удержать предмет или передать движение, но он же может нагревать и изнашивать детали. Нагрев связан с тем, что часть механической энергии при движении превращается во внутреннюю энергию тел. Для уменьшения нежелательного трения между деталями используют смазку, которая разделяет поверхности тонкой прослойкой. Ещё один способ — заменить скольжение качением: обычно катить предмет легче, чем тащить его по полу.
| Свойство | Трение покоя | Трение скольжения | Трение качения |
|---|---|---|---|
| Когда возникает | Поверхности соприкасаются, но не скользят | Одно тело скользит по другому | Тело катится по поверхности |
| Направление силы относительно движения или его попытки | Против возможного относительного скольжения | Против относительной скорости скольжения | Против движения, связанного с качением |
| Как изменяется величина силы | Подстраивается под приложенную силу до предельного значения | Зависит от материалов и силы прижатия | Обычно меньше силы трения скольжения |
| Пример полезной роли | Помогает ноге не скользить при ходьбе | Позволяет тормозить скользящим предметом | Помогает перемещать груз на колёсах |
| Способ уменьшить нежелательное действие | Уменьшить силу прижатия, если это возможно | Использовать смазку или заменить скольжение качением | Уменьшить нагрузку и сопротивление опоры |
Сначала определите, движутся ли поверхности друг относительно друга: это помогает выбрать вид трения. Затем сравните направления возможного скольжения и силы трения, а величину оценивайте с учётом условий задачи. Таблица показывает и полезные применения трения, и способы уменьшить его нежелательное действие.
Книгу толкают горизонтально, но она остаётся неподвижной. Нужно определить силу, которая уравновешивает толчок, и найти её величину. Так как скольжения нет, речь идёт о трении покоя. Обозначим приложенную силу через F, а силу трения — через Fтр.
Ответ: приложенную силу уравновешивает сила трения покоя, равная ей по модулю и направленная в противоположную сторону. Если толчок превысит предельное значение трения покоя, книга начнёт скользить. Тогда описывать взаимодействие нужно будет уже как трение скольжения.
Ящик тянут по полу с постоянной скоростью, сила тяги равна 40 Н. Требуется найти силу трения скольжения и указать её направление. Постоянная скорость означает, что скорость не меняется, следовательно, ускорение ящика равно нулю. Вертикальные силы здесь уравновешивают друг друга, поэтому рассматриваем горизонтальное направление.
Ответ: сила трения скольжения равна 40 Н и направлена против движения ящика. Здесь не требуется знать массу или коэффициент трения: равномерность движения уже сообщает, что горизонтальные силы уравновешены. Если бы скорость менялась, равенство сил могло бы не выполняться.
На горизонтальной дороге автомобиль начинает разгоняться, и требуется объяснить, почему сила трения со стороны дороги может быть направлена вперёд. Кажется, что трение должно всегда тянуть назад, но это смешивает движение автомобиля с возможным скольжением его шины. Рассмотрим ведущую шину и то, как она взаимодействует с дорогой. При обычном разгоне колесо катится без проскальзывания.
Ответ: сила трения со стороны дороги направлена вперёд, поскольку при разгоне она препятствует возможному проскальзыванию ведущего колеса назад относительно дороги. Автомобиль получает благодаря ей ускорение. Если сцепления не хватает и колесо буксует, условия контакта меняются и появляется скольжение.
Ошибочно считать, что сила трения всегда направлена против движения тела. Так думают, потому что в простых примерах скользящий предмет действительно тормозится; однако трение направлено против относительного скольжения или его возможного возникновения. Проверяйте себя, выясняя, какие именно соприкасающиеся поверхности могли бы скользить и в какую сторону.
Нельзя полагать, что трение покоя всегда равно максимальному значению. Оно подстраивается под силу, пытающуюся сдвинуть тело, поэтому при слабом толчке остаётся небольшим. Максимума оно достигает только перед началом скольжения. Проверьте, сохраняется ли покой: если да, не приравнивайте трение к предельному без дополнительных данных.
Неверно считать трение только вредным: оно действительно вызывает износ и нагрев, поэтому иногда кажется, что от него нужно избавиться. Но без сцепления ноги скользили бы по земле, а колёса не могли бы разгонять и тормозить транспорт. Чтобы проверить рассуждение, спросите себя, нужно ли в данной ситуации удержать контакт или передать усилие.
Сила трения скольжения не равна автоматически силе прижатия. Путают эти величины, потому что при увеличении прижатия трение обычно тоже возрастает; в школьной модели Fтр = μN, где N — нормальная реакция, а μ зависит от поверхностей. Проверяйте размерность и данные задачи: без коэффициента μ приравнивать силу трения к N нельзя.
Для разбора трения нужно уметь изображать силы, находить их равнодействующую и применять законы Ньютона. Сила трения связана с реакцией опоры: нормальная составляющая реакции направлена перпендикулярно поверхности и характеризует прижатие. Эти силы рассматривают вместе, чтобы понять равновесие или движение тела на опоре. Знания пригодятся при изучении движения и торможения транспорта, равновесия тел и работы механизмов.
Почему сила трения покоя не всегда равна своему максимальному значению?
Пока тело не скользит, трение покоя уравновешивает силу, которая пытается сдвинуть его вдоль поверхности. Поэтому его значение меняется вместе с этой силой и достигает максимума лишь перед началом скольжения.
Может ли сила трения направляться вперёд?
Да. Например, при разгоне автомобиля трение со стороны дороги направлено вперёд: оно мешает шине проскальзывать назад относительно дороги и разгоняет машину.
Почему по гладкому льду трудно ходить?
Для шага нужно оттолкнуться ногой от поверхности, а трение покоя помогает ноге не проскользнуть назад. На гладком льду предельное трение невелико, поэтому сцепления может не хватить.
Как смазка уменьшает трение между деталями?
Смазка образует прослойку между поверхностями и уменьшает непосредственный контакт их неровностей. Это снижает сопротивление движению и изнашивание деталей.
Почему колёса уменьшают сопротивление движению?
При качении поверхности меньше сопротивляются движению, чем при скольжении. Поэтому колёса позволяют перемещать тяжёлые грузы с меньшей силой.
§ 3.14. Роль сил трения
