§ 28. Сила трения

Определения и обозначения

Сила трения — сила, возникающая при соприкосновении тел и препятствующая их относительному движению. Иными словами, она мешает поверхностям перемещаться друг относительно друга. Это понятие помогает объяснить, почему толкнуть предмет по полу труднее, чем двигать его без соприкосновения с поверхностью.

Трение покоя — взаимодействие соприкасающихся тел, при котором одно тело ещё не скользит по поверхности другого. Например, книга может оставаться на наклонной доске, хотя сила тяжести стремится сдвинуть её вниз. Трение покоя объясняет, почему приложенная сила не всегда сразу приводит к движению.

Трение скольжения — сила сопротивления, возникающая при скольжении одного тела по поверхности другого. Она действует, например, когда санки едут по снегу. Понятие нужно, чтобы описывать сопротивление уже начавшемуся скольжению.

Трение качения — сопротивление движению тела, катящегося по поверхности. Оно действует на колесо, которое катится по дороге, и обычно меньше трения скольжения. Для обозначения силы трения используют Fтр, а в расчётах трения скольжения может понадобиться коэффициент трения μ.

Как это устроено

Даже поверхности, которые кажутся гладкими, при сильном увеличении выглядят неровными. Их выступы цепляются друг за друга и мешают телам свободно перемещаться. Кроме того, частицы одного тела взаимодействуют с частицами другого в местах соприкосновения. Поэтому для движения приходится преодолевать сопротивление, которое и проявляется как трение.

Трение направлено не обязательно против движения тела относительно Земли, а против относительного движения соприкасающихся поверхностей или его возможного направления. Если брусок скользит вправо по столу, поверхность бруска движется относительно стола вправо, а трение действует на брусок влево. Если брусок пока неподвижен, но его пытаются сдвинуть вправо, трение покоя направлено влево. Так можно определить направление силы, даже когда тело ещё не движется.

Сильнее прижать брусок к поверхности — значит увеличить взаимодействие неровностей и частиц. Поэтому для сдвига обычно требуется большая сила, а сила трения скольжения становится больше. В школьной модели учитывают также свойства соприкасающихся поверхностей: по-разному обработанные материалы сопротивляются скольжению неодинаково. Для сухого скольжения зависимость записывают так: Fтр = μN, где N — сила реакции опоры, а μ — коэффициент трения, характеризующий поверхности.

Трение покоя удерживает тело до тех пор, пока приложенная сила не становится достаточно большой, чтобы сдвинуть его. После начала скольжения действует трение скольжения; в обычных школьных примерах сила трения покоя перед началом движения может быть больше силы трения скольжения. При качении деформация поверхностей и другие причины сопротивления обычно слабее, чем препятствия при скольжении. Поэтому катить предмет, как правило, легче, чем тащить его по той же поверхности.

Трение полезно, когда нужно надёжное сцепление: без него ноги скользили бы, а тормоза не могли бы остановить велосипед. В механизмах оно может нагревать детали и вызывать их износ, поэтому там его часто стараются уменьшить. Для увеличения сцепления поверхности делают шероховатыми или используют рифлёные протекторы. Для уменьшения сопротивления детали смазывают, устанавливают подшипники или заменяют скольжение качением.

Виды трения и их особенности

Сначала выясни, скользит ли тело, катится или пока остаётся неподвижным: так ты выберешь нужный вид трения. Затем определи направление движения или возможного движения, чтобы указать направление силы. Столбец с зависимостями помогает понять, какие условия нужно сравнить в задаче.

Разбор задач

1. Брусок равномерно тянут по горизонтальной поверхности. Изобразить силы, действующие на брусок, и указать направление силы трения.

1. Сначала выделим брусок и перечислим силы, действующие на него. Сила тяжести направлена вертикально вниз, а сила реакции опоры — вертикально вверх. Сила тяги направлена вдоль поверхности в сторону движения.

2. Брусок движется равномерно, то есть его скорость не меняется. Значит, равнодействующая сил равна нулю: горизонтальные силы уравновешивают друг друга. Сила трения направлена против движения, то есть против силы тяги.

3. На рисунке изобрази брусок и четыре стрелки из него: тяжесть вниз, реакцию опоры вверх, тягу по направлению движения и трение в обратную сторону. В вертикальном направлении силы также уравновешены, если брусок не отрывается от поверхности. Ответ: сила трения направлена против движения бруска.

2. Сравнить силу трения при перемещении одного и того же бруска по двум поверхностям: гладкой и шероховатой, если сила тяги при равномерном движении измерена динамометром.

1. При равномерном движении брусок не разгоняется, поэтому равнодействующая сил по горизонтали равна нулю. Сила тяги и сила трения уравновешивают друг друга. Следовательно, модуль силы трения равен показанию динамометра во время равномерного движения.

2. Сначала двигай брусок по первой поверхности и запиши показание динамометра, не меняя сам брусок. Затем повтори измерение на второй поверхности, стараясь тянуть равномерно. Сравни оба показания: большее показание означает большую силу трения.

3. Если показание на шероховатой поверхности больше, то там сила трения больше, чем на гладкой. Если измерения дали обратный результат, сравнивать нужно именно полученные показания, а не только название поверхности. Ответ: сила трения равна силе тяги при равномерном движении, а поверхности сравнивают по показаниям динамометра.

3. Определить силу трения скольжения бруска, если известны коэффициент трения и сила давления бруска на поверхность.

1. Для трения скольжения используем формулу Fтр = μN. Коэффициент трения μ показывает, насколько сильно взаимодействуют данные поверхности при скольжении. В горизонтальной задаче сила давления бруска на поверхность равна силе реакции опоры N, если нет других вертикальных воздействий.

2. Подставь в формулу известные значения коэффициента трения и силы давления. Умножь их: полученное число будет модулем силы трения. Если коэффициент дан без единиц измерения, результат выражается в ньютонах, как и сила давления.

3. Перед вычислением проверь, что в условии речь идёт о скольжении, а не о качении или трении покоя. Также убедись, что сила давления дана в ньютонах. Ответ: Fтр = μN; численное значение зависит от данных задачи.

Типичные ошибки

Ошибка: направлять силу трения в ту же сторону, что и движение. Так думают, потому что смешивают направление движения тела и действие сопротивления. Проверь себя: определи, как поверхности перемещаются относительно друг друга, и направь трение против этого движения. Например, при скольжении бруска вправо сила трения на него направлена влево.

Ошибка: считать, что трение бывает только у движущегося тела. Это кажется правдоподобным, потому что трение легче заметить при скольжении. Но трение покоя может уравновешивать силу, которая только пытается сдвинуть тело. Для проверки спроси себя, могло бы тело начать двигаться без сопротивления опоры.

Ошибка: путать силу трения с силой реакции опоры. Обе силы связаны с поверхностью, поэтому их иногда изображают как одну. Реакция опоры направлена перпендикулярно поверхности, а трение — вдоль неё; это разные силы. На рисунке проверь направления стрелок и подпиши каждую отдельно.

Ошибка: считать, что увеличение площади соприкосновения обязательно усиливает сухое трение скольжения. Такое предположение возникает из мысли, что большая площадь всегда означает большее взаимодействие. В школьной модели сила трения скольжения прежде всего зависит от силы прижатия и свойств поверхностей, а не прямо от площади. Проверь, какие величины заданы в задаче и не добавляй зависимость, которой в этой модели нет.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать силы трения, нужно знать, что такое сила, масса, вес и равнодействующая, а также уметь изображать силы на рисунке. Сила реакции опоры помогает описать действие поверхности, но её нельзя смешивать с трением. Тема связана с законами движения, равновесием тел и механической работой: сопротивление может изменять движение и мешать перемещению. Позже эти знания пригодятся при изучении наклонной плоскости, давления, механизмов и безопасности транспорта.

Что запомнить

• Сила трения возникает при соприкосновении тел.
• Сила трения направлена против движения или возможного движения.
• Различают трение покоя, скольжения и качения.
• Трение скольжения зависит от силы прижатия и свойств соприкасающихся поверхностей.
• Трение качения обычно меньше трения скольжения.
• Трение может быть полезным и вредным.
• Для уменьшения трения используют смазку, подшипники и замену скольжения качением.