"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Когда тело катится или движется в воде и воздухе, его движение тоже встречает сопротивление. При качении возникает сила трения качения, а в жидкости или газе — сила сопротивления среды. Они направлены против движения тела относительно поверхности или среды, но причины их появления различаются. На сопротивление среды влияют скорость, свойства жидкости или газа и форма тела. Понимание этих сил объясняет, почему тележку легче катить, чем тащить груз, а обтекаемые тела медленнее теряют скорость.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сила трения качения — сила, возникающая при качении одного тела по поверхности другого и препятствующая движению. Например, она действует на колесо, которое катится по дороге. Это понятие помогает отличить сопротивление качению от трения при скольжении.
Сила сопротивления среды — сила, с которой жидкость или газ действует на движущееся в них тело; она направлена против его движения относительно среды. Такую силу испытывают падающий в воде камень и летящий в воздухе мяч. Понятие нужно, чтобы учитывать действие воздуха и жидкости на тела.
Вязкое трение — сопротивление движению слоёв жидкости или газа относительно друг друга, а также движению тела в среде. Слои, движущиеся с разными скоростями, взаимодействуют и мешают друг другу перемещаться. Это объясняет, почему движение в жидкости сопровождается сопротивлением.
Лобовое сопротивление — составляющая силы сопротивления среды, связанная с обтеканием тела потоком. Поток — это движущаяся жидкость или газ, например воздух вокруг автомобиля. Термин помогает рассматривать сопротивление, возникающее при встрече тела с потоком.
При качении колесо и поверхность не остаются совершенно неизменными: в месте контакта они немного деформируются. Из-за этих деформаций возникает сила, мешающая движению, поэтому трение качения не равно нулю. При скольжении поверхности трутся друг о друга вдоль всей области контакта, а при качении характер взаимодействия иной. Поэтому в обычных условиях сила трения качения значительно меньше силы трения скольжения, и колёса облегчают перемещение груза.
Жидкость или газ взаимодействуют с движущимся телом, а соседние слои среды тоже могут двигаться с разной скоростью. Это взаимодействие мешает телу и слоям продолжать движение прежним образом, поэтому возникает сила сопротивления. При увеличении скорости тело за то же время сильнее взаимодействует со средой, и обычно сопротивление возрастает. Точный закон этой зависимости здесь не задан, поэтому нельзя вычислять силу только по скорости.
Сопротивление определяется не одним свойством тела. Вязкость характеризует, насколько сильно слои жидкости или газа сопротивляются перемещению относительно друг друга; более вязкая среда обычно увеличивает сопротивление. Влияет и форма: поток легче обтекает тело с плавными очертаниями, чем тело с формой, которая сильнее мешает движению воздуха или воды. Поэтому при сравнении нужно учитывать и скорость, и среду, и форму.
При движении в среде тело может разгоняться, замедляться или сохранять постоянную скорость. Если оно падает, сила тяжести направлена вниз, а сила сопротивления — против движения, то есть вверх. Когда силы уравновешиваются, их равнодействующая равна нулю: скорость тела больше не изменяется. Это не означает, что силы исчезли, — они продолжают действовать, но компенсируют друг друга.
Вид сопротивления удобно определять по тому, как движется тело. Если оно скользит по поверхности, рассматривают трение скольжения; если катится — трение качения. Если тело движется внутри жидкости или газа, появляется сопротивление среды, связанное с его взаимодействием с окружающей средой. Причины различны, поэтому нельзя объяснять все случаи одной и той же силой или одним правилом.
| Свойство | Трение качения | Сопротивление среды | Трение скольжения |
|---|---|---|---|
| Где возникает | При качении тела по поверхности | При движении тела в жидкости или газе | При скольжении одной поверхности по другой |
| Как направлена сила | Против движения при качении | Против движения относительно среды | Против скольжения поверхностей |
| От чего зависит | От деформаций поверхностей и условий контакта | От скорости, свойств среды и формы тела | От взаимодействия соприкасающихся поверхностей |
| Как уменьшить | Использовать колёса и уменьшать деформации | Придавать телу обтекаемую форму | Заменить скольжение качением |
| Пример | Колесо тележки катится по полу | Воздух тормозит движущийся автомобиль | Ящик тащат по полу |
Сначала найдите в таблице характер движения: скольжение, качение или движение в среде. Затем сравните направление силы и факторы, от которых она зависит. Способы уменьшения помогают понять, почему колёса и обтекаемые формы используют в технике.
В первом случае ящик скользит по полу, поэтому возникает трение скольжения. Во втором случае колёса катятся по поверхности, значит, возникает трение качения.
Сравниваем виды трения при обычных условиях: трение качения обычно значительно меньше трения скольжения. Это связано с тем, что при качении поверхности деформируются, но не скользят друг по другу так, как при волочении.
Следовательно, колёса помогают переместить тот же груз меньшей силой. Для ответа не требуется знать массу ящика или вычислять силы: достаточно определить характер движения.
Ответ: обычно сила трения меньше при перевозке груза на тележке с колёсами.
Постоянная скорость означает, что скорость тела не меняется. Значит, его ускорение равно нулю, а равнодействующая сил также равна нулю.
При падении сила тяжести направлена вниз, а сопротивление жидкости — вверх, против движения. В равномерном движении эти силы должны уравновешивать друг друга.
Следовательно, если учитывать только эти две силы, их модули равны. Если дополнительно учитываются другие силы, например выталкивающая сила, то нулевой должна быть равнодействующая всех действующих сил.
Ответ: в случае двух сил сила тяжести равна по модулю силе сопротивления, а направлены они противоположно.
Сначала учитываем скорость: обычно быстрее движущееся тело испытывает более сильное сопротивление среды. Однако точную величину без закона зависимости определить нельзя.
Затем сравниваем форму: обтекаемое тело меньше мешает потоку, поэтому сопротивление для него обычно меньше, чем для тела, которое обтекается хуже. Одинаковый материал или размер сами по себе не отменяют влияния формы.
Если одно тело одновременно движется быстрее, а другое имеет менее обтекаемую форму, оба обстоятельства могут увеличить сопротивление именно у разных тел. Без уточнения, какое из этих влияний сильнее, нельзя однозначно сравнить силы.
Ответ: скорость и форма влияют на сопротивление; сильнее будет тормозиться тело с большей силой сопротивления, но по данным задачи нельзя однозначно установить, какое это тело.
Ошибка: считать сопротивление среды направленным по движению тела. Так можно подумать, если смешать направление движения и направление действия силы, но сопротивление направлено против движения тела относительно среды. Проверьте себя: если тело движется вниз в неподвижной жидкости, сопротивление направлено вверх.
Ошибка: утверждать, что трение качения отсутствует. Колесо действительно движется легче, чем волочимый груз, но это не означает, что сопротивления нет: поверхности деформируются при контакте. Для проверки сравните «меньше» и «равно нулю» — это разные утверждения.
Ошибка: считать, что сопротивление среды зависит только от массы тела. Масса может быть важна при анализе движения, но сама сила сопротивления зависит также от скорости, свойств среды и формы. Проверьте себя, сравнив два тела одинаковой массы, но разной формы или скорости.
Ошибка: путать равномерное движение с отсутствием сил. Если скорость постоянна, силы могут продолжать действовать и уравновешивать друг друга. Чтобы проверить вывод, перечислите силы и найдите их равнодействующую: при равномерном движении она равна нулю, но отдельные силы не обязаны быть нулевыми.
Для разбора этих сил нужны понятия силы и равнодействующей, а также знание о трении скольжения. Равнодействующая показывает общий результат действия всех сил на тело. Если силы уравновешены, скорость тела может оставаться постоянной, хотя само тело продолжает двигаться.
Эти понятия пригодятся при изучении движения тел в жидкостях и газах, падения тел и способов уменьшения сопротивления. Они помогают объяснить, почему предметы в воде и воздухе движутся не так, как в вакууме. Сравнивая движение, важно учитывать свойства среды и форму тела.
Почему катить тележку легче, чем тащить груз по полу?
При волочении груза возникает трение скольжения, а у колёс — трение качения. Обычно оно меньше, поэтому для перемещения тележки требуется меньшая сила.
Всегда ли сила сопротивления среды направлена против скорости тела?
Она направлена против движения тела относительно среды. Если сама среда движется, нужно учитывать скорость тела именно относительно неё.
От чего зависит сопротивление воздуха движущемуся телу?
Оно зависит от скорости тела, свойств воздуха и формы тела. Обычно при большей скорости сопротивление сильнее, а обтекаемая форма его уменьшает.
Почему самолётам и автомобилям придают обтекаемую форму?
Такая форма помогает воздуху плавнее обтекать тело и уменьшает сопротивление. Поэтому двигателю приходится преодолевать меньшую силу сопротивления.
Почему падающее в жидкости тело может двигаться с постоянной скоростью?
По мере разгона тела сила сопротивления жидкости возрастает. Когда она вместе с другими силами уравновешивает силу тяжести, равнодействующая становится нулевой и скорость перестаёт изменяться.
3. Другие виды сил трения
