§34 Трение в природе и технике

Определения и обозначения

Сила трения — сила, возникающая при соприкосновении тел и препятствующая их относительному движению или его началу. Она приложена к телу в области соприкосновения, а её направление связано с возможным или происходящим скольжением поверхностей. Это определение помогает понять, почему предметы не всегда начинают двигаться, даже если на них действует другая сила.

Трение покоя — трение, которое не даёт соприкасающимся телам начать скользить друг относительно друга. Например, оно удерживает книгу на наклонной поверхности, если книга остаётся на месте. Этот вид трения нужен, чтобы объяснить равновесие тел, которые не скользят.

Трение скольжения возникает, когда одно тело скользит по поверхности другого. Оно направлено против скольжения поверхностей относительно друг друга. Это понятие применяют, когда рассматривают движение санок по снегу или ящика по полу.

Трение качения возникает, когда одно тело катится по поверхности другого, как колесо по дороге. Обычно оно меньше трения скольжения, поэтому катить груз легче, чем волочить его. Сравнение этих видов помогает выбирать удобный способ перемещения предметов и деталей механизмов.

Как это устроено

Даже гладкие на вид поверхности имеют мелкие неровности. При соприкосновении выступы одной поверхности цепляются за неровности другой, поэтому поверхностям труднее скользить. Кроме того, частицы вещества в местах контакта взаимодействуют друг с другом и притягиваются. Оба эффекта вместе создают сопротивление движению.

Трение покоя удерживает предмет, когда сила пытается сдвинуть его, но скольжение ещё не началось. Например, на наклонной доске сила тяжести стремится переместить предмет вниз, а трение покоя направлено вверх вдоль доски. При ходьбе нога отталкивается от земли и давит на неё назад, а земля действует на ногу вперёд. Благодаря трению покоя нога не проскальзывает, и человек может сделать шаг.

Трение скольжения появляется, когда поверхности уже движутся друг относительно друга: например, ящик скользит по полу. При качении колесо поворачивается, а участок его поверхности касается дороги лишь на короткое время, не скользя по ней так, как скользит ящик. Поэтому сопротивление качению обычно меньше сопротивления скольжению. Колёса или ролики позволяют перемещать тяжёлые грузы с меньшей силой.

Трение полезно, когда нужно обеспечить сцепление: без него человек скользил бы при ходьбе, а тормоза не могли бы замедлить колёса. Оно также помогает удерживать предметы и не даёт им самопроизвольно сдвигаться. Но в механизмах трение нагревает соприкасающиеся детали и постепенно стирает их поверхности. Чтобы механизм служил дольше, там, где это возможно, трение уменьшают.

Если нужно усилить сцепление, поверхности делают более шероховатыми или добавляют рисунок протектора на шинах. Выступы протектора лучше сцепляются с дорогой, поэтому колёса меньше скользят. Для уменьшения трения детали смазывают: слой смазки разделяет поверхности и мешает их неровностям напрямую цепляться друг за друга. Подшипники и ролики заменяют скольжение качением, которое обычно требует меньшего усилия.

Виды трения и их применение

В таблице сопоставлены условия возникновения трения, примеры и способы его применения или изменения. Найди ситуацию, похожую на свою, и определи, соприкасаются ли поверхности без скольжения, скользят или катятся. Последний столбец подскажет, как усилить нужное сцепление или облегчить движение.

Разбор задач

Человек стоит на наклонной поверхности

Условие. Почему человек может стоять на наклонной поверхности, не скользя вниз? Укажите вид и направление силы трения. Нужно найти силу, которая удерживает человека, пока скольжение не началось.

1. Человек соприкасается с поверхностью и остаётся на месте, поэтому скольжения нет.
2. Если бы трения не было, сила тяжести заставляла бы человека скользить вниз по наклону.
3. Этому возможному скольжению мешает трение покоя, направленное вверх вдоль поверхности.

Ответ. Человека удерживает трение покоя, направленное вверх по наклонной поверхности. Оно действует, хотя человек неподвижен.

Ящик движется равномерно

Условие. Ящик тянут по полу вправо, и он движется равномерно. В какую сторону направлена сила трения и какова она по сравнению с силой тяги? Сначала определим направление скольжения, затем учтём, что равномерное движение означает отсутствие ускорения.

1. Ящик скользит по полу вправо, значит сила трения направлена против скольжения — влево.
2. Равномерное движение означает, что скорость не меняется, а силы по горизонтали уравновешены.
3. Следовательно, силы тяги и трения равны по величине и направлены в разные стороны.

Ответ. Сила трения направлена влево и равна силе тяги по величине, если других горизонтальных сил нет.

Груз волоком и на тележке

Условие. Один и тот же груз перемещают по полу сначала волоком, а затем на тележке с колёсами. В каком случае обычно нужна меньшая сила и почему? Сравним, какой вид трения возникает в каждом случае.

1. Когда груз тащат по полу, его поверхность скользит по полу, поэтому возникает трение скольжения.
2. На тележке колёса катятся по полу, и возникает трение качения.
3. Трение качения обычно меньше трения скольжения, поэтому для перемещения тележки обычно достаточно меньшей силы.

Ответ. Обычно меньшая сила нужна при перемещении груза на тележке: качение колёс создаёт меньшее сопротивление, чем скольжение груза по полу.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что трение всегда направлено против движения тела относительно земли. Так думают, потому что часто рассматривают ящик, который скользит по полу. Но направление трения определяют относительно соприкасающейся поверхности: при ходьбе трение со стороны земли помогает ноге двигаться вперёд. Проверь себя, указав, какая именно поверхность скользит или стремится скользить.

Ошибка: считать, что неподвижное тело не испытывает трения. Если тело не движется, может показаться, что сила отсутствует, но трение покоя как раз способно удерживать тело на месте. Например, оно не даёт предмету скользить вниз по наклону. Проверь себя: есть ли сила, которая стремится сдвинуть предмет, и что удерживает его?

Ошибка: считать трение только вредным. Обычно замечают нагрев и износ деталей, поэтому забывают о полезных случаях. Без трения нельзя было бы нормально ходить, удерживать предметы и тормозить. Проверь себя, подумав, что произойдёт, если поверхность станет совсем скользкой.

Ошибка: считать трение качения таким же большим, как трение скольжения. Эти виды возникают при разном движении поверхностей, а сопротивление качению обычно меньше. Поэтому тяжёлый предмет легче перевозить на колёсах, чем тащить волоком. Проверь себя сравнением усилий, необходимых, чтобы тянуть груз по полу и везти его на тележке.

Связь с другими темами

Для изучения трения нужно знать, что сила имеет величину и направление, и уметь показывать её стрелкой на рисунке. Трение связано с равновесием и движением: оно может удержать тело или изменить его движение. Эти знания пригодятся при изучении давления и сил в механизмах. Они также объясняют работу тормозов, шин и подшипников.

Что запомнить

• Трение возникает при соприкосновении тел.
• Трение может препятствовать началу движения или скольжению.
• Трение покоя помогает удерживать тело на месте.
• При качении обычно возникает меньшее сопротивление, чем при скольжении.
• Трение полезно для ходьбы, сцепления и торможения.
• Смазка и подшипники помогают уменьшить трение, а шероховатость и протектор — увеличить.