"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Сила трения появляется при соприкосновении тел и мешает их поверхностям скользить друг относительно друга. Она влияет на движение: без трения было бы трудно ходить, тормозить и удерживать предметы. Для расчётов силы трения скольжения используют формулу Fтр = μN, где μ зависит от материалов и состояния поверхностей, а N — сила, с которой опора действует на тело. Разобравшись с направлением этих сил и условиями их связи, можно решать задачи о движении тел.
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. Она появляется даже тогда, когда поверхности кажутся гладкими: на деле они имеют неровности и взаимодействуют друг с другом. Понимание этого помогает объяснить, почему предметы не скользят беспрепятственно.
Трение скольжения — трение, возникающее, когда поверхности соприкасающихся тел скользят друг относительно друга. Например, оно действует на брусок, который тянут по столу. Этот вид трения рассматривают, когда тело уже движется по поверхности.
Коэффициент трения скольжения — величина, характеризующая свойства соприкасающихся поверхностей и входящая в формулу силы трения. Его обозначают греческой буквой μ (мю). Значение μ позволяет учитывать, насколько сильно взаимодействуют именно эти материалы, и не имеет единицы измерения.
Сила нормальной реакции опоры — сила, с которой опора действует на тело перпендикулярно поверхности соприкосновения. Её обозначают N; слово «нормальная» здесь означает «перпендикулярная». Эта сила нужна для расчёта трения, потому что показывает, с какой силой тело прижимает к себе опору.
Соприкасающиеся поверхности не идеально ровные: даже гладкие на вид тела имеют микроскопические выступы и впадины. При контакте выступы цепляются друг за друга, а частицы поверхностей взаимодействуют. Из-за этого для скольжения требуется преодолевать сопротивление, которое и проявляется как сила трения.
При скольжении сила трения направлена вдоль поверхности контакта и противоположна относительному движению. Если брусок едет вправо относительно стола, трение со стороны стола направлено влево. Так сила препятствует скольжению; она не обязательно останавливает тело сразу, но уменьшает его скорость, если другие силы не компенсируют её действие.
Сила нормальной реакции направлена перпендикулярно опоре, а не вдоль неё. На горизонтальной поверхности тело не ускоряется вверх или вниз, если на него не действуют другие вертикальные силы. Поэтому в этом случае опора уравновешивает силу тяжести, и модули сил равны: N = mg. На наклонной поверхности или при дополнительном вертикальном воздействии такое равенство применять нельзя без проверки.
Силу трения скольжения находят по формуле Fтр = μN. Чем больше коэффициент трения или сила, с которой тело прижимается к опоре, тем больше сила трения по этой формуле. На горизонтальной поверхности без других вертикальных сил можно подставить N = mg, но в общем случае сначала определяют N, а затем рассчитывают трение.
Коэффициент μ зависит от того, из каких материалов сделаны поверхности и в каком они состоянии: например, сухие или смазанные. Разные пары материалов по-разному цепляются и взаимодействуют, поэтому их коэффициенты трения различаются. В школьной модели площадь соприкосновения не меняет силу трения: при неизменных μ и N она остаётся той же.
| Свойство | Описание |
|---|---|
| Причина возникновения | Неровности и взаимодействие частиц соприкасающихся поверхностей. |
| Направление силы | Вдоль поверхности, противоположно относительному движению. |
| Зависимость от материалов поверхностей | Зависит от материалов и состояния поверхностей через коэффициент μ. |
| Зависимость от силы нормальной реакции | При увеличении N сила трения возрастает: Fтр = μN. |
| Зависимость от площади соприкосновения | В школьной модели не зависит от площади. |
| Формула для расчёта | Fтр = μN. |
| Единица измерения | Ньютон (Н). |
Пользуйся таблицей как коротким планом решения: сначала определи направление движения, затем выясни, чему равна сила нормальной реакции. После этого выбери подходящее значение коэффициента и примени формулу. Силу трения записывай в ньютонах.
Условие. Брусок скользит по горизонтальной поверхности вправо. Нужно указать направление силы трения и объяснить выбор. Рассматриваем трение со стороны поверхности на брусок.
Ответ: сила трения направлена влево, против движения бруска относительно поверхности.
Условие. Брусок массой 5 кг скользит по горизонтальной поверхности, коэффициент трения равен 0,2. Принять g = 10 Н/кг. Требуется найти силу трения.
Ответ: сила трения равна 10 Н. Сначала нашли N, потому что формула трения использует именно силу нормальной реакции.
Условие. Брусок массой 3 кг равномерно тянут по горизонтальной поверхности силой 12 Н. Принять g = 10 Н/кг. Нужно определить коэффициент трения скольжения.
Ответ: коэффициент трения равен 0,4 и не имеет единицы измерения.
Ошибка: направлять силу трения туда же, куда движется тело. Так рассуждают, потому что часто связывают силу с направлением движения, но трение скольжения противодействует относительному скольжению. Проверь направление по поверхности: если тело скользит вправо, трение направлено влево.
Ошибка: считать, что сила трения всегда равна силе тяжести. Такое равенство может казаться естественным, поскольку обе силы связаны с телом, но в формуле трения участвует сила нормальной реакции, а не сила тяжести. Проверь, что именно уравновешивает тело перпендикулярно опоре; только в подходящем случае N = mg.
Ошибка: применять Fтр = μmg на любой поверхности. Эту запись получают из Fтр = μN только при условии N = mg, поэтому на наклонной поверхности или при дополнительных вертикальных силах она может быть неверной. Сначала нарисуй силы и найди N, а затем подставляй её в основную формулу.
Ошибка: считать, что сила трения зависит от площади соприкосновения. Площадь легко заметить, поэтому её ошибочно включают в расчёт, хотя в школьной модели её нет в формуле Fтр = μN. Проверь, что изменилось: если μ и N прежние, модель предсказывает прежнюю силу трения.
Для решения задач о трении нужны знания о силе тяжести, единицах силы, втором законе Ньютона и равномерном движении. Эти понятия помогают находить реакцию опоры и понимать, когда силы уравновешены. Позже трение пригодится при изучении наклонной плоскости и равновесия тел. Оно также важно для расчёта тормозного пути и объясняет работу тормозов, сцепление шин с дорогой, обуви с поверхностью и деталей механизмов.
Почему сила трения направлена противоположно движению?
При скольжении поверхности движутся друг относительно друга, а сила трения препятствует этому скольжению. Поэтому её направление вдоль поверхности противоположно направлению относительного движения.
Почему сила трения не зависит от площади соприкосновения?
В школьной модели силу трения скольжения рассчитывают по формуле Fтр = μN, в которой площадь соприкосновения не указана. Реальные поверхности устроены сложнее, но при решении школьных задач считают, что важны коэффициент трения и сила нормальной реакции.
Всегда ли сила нормальной реакции равна силе тяжести?
Нет. На горизонтальной поверхности без других вертикальных сил они равны по модулю, потому что тело не ускоряется вверх или вниз. На наклонной поверхности или при дополнительном воздействии сила нормальной реакции может отличаться от силы тяжести.
Как найти коэффициент трения по результатам опыта?
Измеряют силу трения при равномерном скольжении и силу нормальной реакции опоры. Затем находят отношение: μ = Fтр / N. Если брусок тянут равномерно по горизонтальной поверхности, силу трения можно определить по силе тяги.
Чем трение скольжения отличается от трения покоя?
Трение скольжения возникает, когда поверхности действительно скользят друг относительно друга. Трение покоя действует, когда тело пока не скользит, и препятствует началу скольжения. В этом параграфе рассматривается именно трение скольжения.
1. Свойства силы трения и скольжения
