§32 Сила трения

Определения и обозначения

Сила трения — сила, возникающая при соприкосновении тел и препятствующая относительному движению их поверхностей; её обозначают Fтр. Направление этой силы лежит вдоль места соприкосновения, а не перпендикулярно ему. По направлению Fтр можно понять, чему именно она мешает: движению или попытке сдвинуть тело. Это обозначение удобно использовать в схемах и при решении задач.

Трение покоя — трение между соприкасающимися телами, которые не движутся друг относительно друга. Оно удерживает предмет на месте, когда на него действует небольшая сила, например лёгкий толчок. Поэтому неподвижность тела не означает, что взаимодействия между телом и поверхностью нет. Понятие трения покоя помогает объяснить, почему предмет не сдвигается сразу.

Трение скольжения возникает, когда одно тело скользит по поверхности другого. Например, оно действует на санки, которые едут по снегу, или на брусок, который тянут по столу. Эта сила направлена против скольжения вдоль поверхности. Название показывает, какой именно вид движения происходит.

Трение качения возникает, когда тело катится по поверхности другого. Оно действует, например, между колесом велосипеда и дорогой. При качении тело не скользит по всей поверхности контакта, как при скольжении. Различение этих видов позволяет правильно описывать взаимодействие тел.

Как это устроено

Даже поверхности, которые кажутся гладкими, при внимательном рассмотрении имеют неровности. Когда тела соприкасаются, выступы одной поверхности попадают во впадины другой и цепляются друг за друга. Чтобы сдвинуть тело, нужно преодолеть это сцепление, поэтому возникает сила, мешающая движению. Чем заметнее неровности, тем сильнее они могут препятствовать скольжению.

Одних неровностей недостаточно, чтобы полностью объяснить трение: между частицами соприкасающихся поверхностей действуют силы притяжения. В местах контакта поверхности как бы сцепляются, и их приходится разъединять при движении. Поэтому трение возникает и у материалов, чьи поверхности выглядят очень ровными. Зацепление неровностей и притяжение вместе помогают понять причину этой силы.

Сила трения действует вдоль соприкасающихся поверхностей и направляется против относительного движения. Если тело уже скользит вправо по столу, трение со стороны стола направлено влево. Если тело пока неподвижно, сила трения направлена против того движения, которое могло бы начаться из-за внешнего воздействия. Значит, для определения направления нужно смотреть не только на движение тела относительно Земли, но и на движение поверхностей друг относительно друга.

Пока тело неподвижно, трение покоя уравновешивает приложенную к нему силу. Если предмет тянут вправо с небольшой силой, трение покоя действует влево и не даёт ему сдвинуться; при этом оно не обязательно имеет одно и то же значение. Когда тягу увеличивают, сила трения покоя тоже может увеличиваться, но лишь до некоторого предела. Если воздействие становится достаточно большим, тело начинает скользить, и вместо трения покоя возникает трение скольжения.

Трение зависит от того, насколько сильно тела прижаты друг к другу, и от материала и состояния их поверхностей. Если прижать тело сильнее, неровности плотнее сцепляются, а взаимодействие поверхностей усиливается, поэтому двигать тело обычно труднее. При одинаковом прижатии материалы и состояние поверхностей тоже имеют значение: по льду скользить легче, чем по асфальту. Сравнивая трение в опытах, нужно менять только один из этих факторов, чтобы понять, чем вызвано изменение.

Виды трения и их особенности

Сначала определите, движется ли тело относительно поверхности и каким образом: стоит, скользит или катится. Затем выберите соответствующую строку и укажите направление силы, препятствующей относительному движению. Примеры в последнем столбце помогают связать название вида трения с наблюдаемой ситуацией.

Разбор задач

Задача 1. Брусок тянут по горизонтальному столу динамометром равномерно, показание прибора — 2 Н. Нужно определить силу трения, действующую на брусок. Равномерное движение означает, что скорость не меняется, поэтому горизонтальные силы уравновешены.

1. Запишем силу тяги: динамометр показывает 2 Н.
2. Так как брусок движется равномерно, сила трения равна силе тяги по модулю.
3. Направим силу трения противоположно тяге, поскольку она препятствует скольжению.

Ответ: сила трения равна 2 Н и направлена против силы тяги. Равенство сил следует именно из равномерного движения, а не просто из того, что брусок лежит на горизонтальном столе.

Задача 2. Одинаковые брусок и груз поочерёдно тянут по одному столу равномерно. В первом опыте динамометр показывает 1 Н, во втором — 3 Н; требуется сравнить трение. Поверхности в опытах одинаковы, поэтому обратим внимание на то, что во втором случае к бруску добавили груз.

1. При равномерном движении показание динамометра равно силе трения: в первом опыте это 1 Н, во втором — 3 Н.
2. Сравним значения: 3 Н больше 1 Н на 2 Н, то есть трение увеличилось втрое.
3. Добавленный груз сильнее прижал брусок к столу, поэтому сила трения стала больше.

Ответ: сила трения увеличилась с 1 Н до 3 Н, потому что выросла сила прижатия. Вывод справедлив для этих опытов, где поверхности оставались одинаковыми.

Задача 3. Ящик тянут по полу горизонтальной силой 8 Н, а сила трения скольжения равна 5 Н. Нужно найти равнодействующую горизонтальных сил и указать её направление. Поскольку силы направлены противоположно, складывать их модули нельзя.

1. Выберем направление тяги за положительное; тогда сила трения действует в противоположную сторону.
2. Вычтем из силы тяги силу трения: 8 Н − 5 Н = 3 Н.
3. Положительный результат означает, что равнодействующая направлена в сторону тяги.

Ответ: равнодействующая горизонтальных сил равна 3 Н и направлена в сторону тяги. В отличие от первых задач, здесь силы не уравновешены: тяга больше трения.

Типичные ошибки

Неверно считать, что трение всегда направлено против движения тела относительно Земли. Так думают, потому что часто рассматривают предмет, который скользит по неподвижному полу. На самом деле сила препятствует относительному движению соприкасающихся поверхностей. Проверьте себя: назовите обе поверхности и определите, в какую сторону одна скользит относительно другой.

Ещё одна ошибка — полагать, что сила трения покоя всегда одинакова. Её значение меняется вслед за приложенной силой, пока тело не сдвинулось, поэтому при слабом толчке она может быть небольшой. Ошибка возникает, если смешать трение покоя с постоянной силой, указанной в условии задачи. Для проверки спросите себя, меняется ли воздействие и остаётся ли тело неподвижным.

Не следует путать трение скольжения с трением качения. Оба вида связаны с движением по поверхности, из-за чего их легко принять за одно и то же. Однако при скольжении тело скользит, а при качении вращается и перемещается по поверхности. Проверьте, как именно движется тело в условии, прежде чем называть вид трения.

Неверно связывать трение только с гладкостью поверхности. Можно забыть, что на него влияет и сила прижатия: при большей нагрузке двигать тело обычно труднее. Поэтому сравнение поверхностей имеет смысл, только если прижатие в опытах одинаковое. Перед выводом проверьте, какие условия изменились: материал и состояние поверхностей или нагрузка.

Связь с другими темами

Для изучения трения нужно знать, что сила является мерой взаимодействия тел. Также нужно уметь изображать силу направленным отрезком: его направление показывает, куда действует сила, а длина может обозначать её величину. Тогда можно показать на схеме тягу и трение и увидеть, направлены ли они одинаково или противоположно.

Понятие трения помогает разбирать движение тел и условия равновесия. Оно объясняет, почему предметы удерживаются на поверхности, а движущиеся тела могут замедляться. В технике и быту трение учатся уменьшать, например используя колёса, или увеличивать — например, делая подошвы нескользкими. Поэтому эта тема связывает наблюдения повседневной жизни с изучением сил.

Что запомнить

• Сила трения возникает при соприкосновении тел.
• Трение препятствует относительному движению поверхностей.
• Сила трения направлена вдоль поверхности соприкосновения.
• Трение покоя удерживает тело от начала движения.
• При скольжении возникает трение скольжения, при качении — трение качения.
• Трение зависит от силы прижатия и свойств соприкасающихся поверхностей.