"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Сила трения возникает при соприкосновении тел и препятствует их относительному движению или его началу. Она действует вдоль поверхности контакта и может удерживать неподвижный предмет, замедлять скольжение или сопротивляться качению. Различают трение покоя, скольжения и качения. Для скольжения в простой модели используют формулу Fтр = μN, где μ — коэффициент трения, а N — сила нормальной реакции опоры.
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 или его возникновению. Она направлена вдоль поверхности соприкосновения. В задачах её обычно обозначают Fтр и учитывают при составлении схемы сил.
Сила трения покоя — сила, которая не даёт соприкасающимся телам начать скользить друг относительно друга. Её величина приспосабливается к внешнему воздействию, пока не достигнет предельного значения. Поэтому неподвижное тело может испытывать трение, даже если оно не движется.
Сила трения скольжения возникает, когда одно тело скользит по поверхности другого. Она направлена против относительного движения соприкасающихся поверхностей. В простой модели её находят по формуле Fтр = μN.
Коэффициент трения скольжения μ — безразмерная величина, характеризующая трение между данными поверхностями. В формуле Fтр = μN она показывает, какая доля силы прижатия превращается в сопротивление скольжению. Чем больше μ, тем сильнее поверхности препятствуют движению.
Трение возникает из-за взаимодействия соприкасающихся поверхностей. Даже гладкие на вид тела имеют микроскопические неровности, которые цепляются друг за друга, а молекулы поверхностей притягиваются. Поэтому для начала или продолжения движения нужно преодолеть эти механические и молекулярные связи.
Сила трения покоя уравновешивает внешнюю силу, пытающуюся сдвинуть тело. Пока воздействие не слишком велико, тело остаётся неподвижным, а трение принимает нужное значение. При увеличении внешней силы трение растёт только до максимума, после которого начинается скольжение.
Когда тело начинает скользить, характер контакта меняется: участки поверхностей непрерывно разрывают старые сцепления и образуют новые. Поэтому появляется сила трения скольжения, направленная против относительного движения. В школьной модели её величину связывают с нормальной реакцией опоры формулой Fтр = μN.
Сила трения скольжения зависит от материалов и состояния поверхностей, потому что именно они определяют сцепление неровностей и молекулярное притяжение. Она также зависит от силы прижатия: при большем N контактные участки сильнее взаимодействуют. В простой модели сила почти не зависит от площади соприкосновения и скорости скольжения.
При качении тело не срезает поверхность так, как при скольжении, поэтому сопротивление обычно меньше. Однако опора и колесо немного деформируются, а неровности всё равно взаимодействуют, поэтому трение полностью не исчезает. Смазка уменьшает сцепление поверхностей, тогда как увеличение шероховатости или силы прижатия может усилить сопротивление движению.
| Вид трения | Когда возникает | Направление | Что определяет величину | Пример |
|---|---|---|---|---|
| Трение покоя | Тело соприкасается с опорой, но ещё не скользит | Против возможного относительного движения | Внешняя сила, свойства поверхностей; не больше предельного значения | Книга, которую пытаются сдвинуть |
| Трение скольжения | Одно тело скользит по поверхности другого | Против относительного скольжения | Fтр = μN; материалы, состояние поверхностей и сила прижатия | Брусок, который тянут по столу |
| Трение качения | Тело катится по опоре | Против качения и его относительного перемещения | Деформация тел, радиус колеса, свойства опоры | Колесо тележки |
Сначала определите, есть ли скольжение между поверхностями или тело катится. Затем выберите подходящую строку и проверьте направление силы относительно возможного или происходящего движения.
Для трения скольжения ищите μ и N, а для трения покоя не подставляйте автоматически μN: сначала выясните, движется ли тело и какие силы его уравновешивают.
Книга лежит на столе, и к ней прикладывают горизонтальную силу 2 Н. Книга остаётся неподвижной, значит, скольжения нет. Требуется найти силу трения покоя.
Ответ: Fтр.покоя = 2 Н.
Брусок массой 4 кг равномерно тянут по горизонтальной поверхности. Коэффициент трения скольжения μ = 0,25, g = 10 Н/кг. Равномерное движение подтверждает, что горизонтальная сила тяги по модулю равна силе трения.
Ответ: сила трения равна 10 Н.
Брусок массой 5 кг тянут по горизонтали силой 18 Н; μ = 0,3, g = 10 Н/кг. Нужно определить равнодействующую горизонтальных сил и ускорение. Сначала найдём сопротивление скольжению, затем учтём разность сил.
Ответ: равнодействующая равна 3 Н, ускорение бруска — 0,6 м/с² в направлении силы тяги.
Ошибка: считать, что сила трения покоя всегда равна μN. Так делают, потому что формула часто встречается в задачах о скольжении. Проверьте себя: если тело покоится, трение обычно равно внешней силе по модулю и лишь не превышает предельного значения.
Ошибка: направлять трение обязательно против движения тела относительно земли. Такое правило не учитывает движение самой опоры или колеса. Определяйте, в какую сторону поверхности стремятся скользить друг относительно друга.
Ошибка: приравнивать нормальную реакцию к силе тяжести в любой ситуации. Эти силы равны на горизонтальной опоре без дополнительных вертикальных воздействий, но меняются при прижатии или на наклонной плоскости. Сначала составьте схему всех сил и найдите N.
Ошибка: считать силу трения одинаковой для любых поверхностей. Материал, чистота, смазка и сила прижатия влияют на коэффициент и саму силу трения. Сверяйте условие задачи и не переносите значение μ от одной пары поверхностей к другой.
Для изучения трения нужно уметь изображать силы на чертеже, различать силу тяжести и реакцию опоры. Эти навыки позволяют правильно найти N и выбрать направление силы трения. Затем используется второй закон Ньютона для определения равнодействующей и ускорения.
Трение встречается при движении по наклонной плоскости и при исследовании равновесия тел. При движении оно также влияет на работу силы, поскольку направленная против перемещения сила трения уменьшает механическую энергию.
Почему сила трения возникает даже у неподвижного тела?
Неподвижные соприкасающиеся поверхности всё равно взаимодействуют: их неровности сцепляются, а молекулы притягиваются. Если внешняя сила пытается сдвинуть тело, возникает сила трения покоя, препятствующая началу движения.
Всегда ли сила трения покоя равна μN?
Нет. Сила трения покоя принимает такое значение, которое уравновешивает внешнюю силу, но не превышает предельного значения. Формулу μN обычно применяют для предельной силы трения покоя или для силы трения скольжения в простой модели.
Почему трение направлено против движения?
Трение противодействует не обязательно движению тела относительно земли, а относительному скольжению соприкасающихся поверхностей или его возникновению. Поэтому направление силы определяют по тому, как одна поверхность движется относительно другой.
От чего зависит коэффициент трения?
Он зависит главным образом от материалов соприкасающихся тел и состояния их поверхностей: шероховатости, чистоты и наличия смазки. Для разных пар материалов коэффициент имеет разные значения.
Почему колёса катятся легче, чем тело скользит?
При качении поверхности почти не перемещаются друг относительно друга, поэтому сцепление неровностей слабее. Из-за этого трение качения обычно значительно меньше трения скольжения.
§ 11. Силы трения
