"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 мешает им скользить или начать движение. Она направлена вдоль поверхности контакта, противоположно движению или его возможному направлению. Различают трение покоя, скольжения и качения. В задачах силу трения скольжения находят по формуле Fтр = μN, где μ — коэффициент трения, а N — сила реакции опоры. Трение бывает полезным и вредным.
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 началу. Её обозначают Fтр и направляют вдоль поверхности соприкосновения. Это обозначение помогает отличать трение от силы тяжести и силы реакции опоры.
Сила трения покоя не даёт телу начать скользить по опоре. Она может изменяться от нуля до предельного значения, поэтому не всегда равна μN. Это нужно учитывать, когда тело ещё неподвижно.
Сила трения скольжения возникает, когда одно тело скользит по поверхности другого. Она направлена противоположно скорости движения. Для её расчёта часто используют формулу Fтр = μN.
Коэффициент трения μ — безразмерная величина, характеризующая сцепление соприкасающихся поверхностей. Чем больше μ, тем сильнее поверхности сопротивляются скольжению при той же силе давления. Для трения скольжения Fтр = μN.
Даже внешне гладкие поверхности не являются идеально ровными: под увеличением видны выступы и впадины. При соприкосновении эти микронеровности цепляются друг за друга и мешают перемещению. Кроме того, частицы двух тел взаимодействуют на участках контакта, поэтому трение сохраняется даже у хорошо отполированных предметов.
Сила трения направлена вдоль поверхности соприкосновения, потому что именно вдоль неё тела пытаются перемещаться относительно друг друга. Её направление противоположно движению или стремлению к движению: иначе сила не мешала бы скольжению, а помогала ему. Если тело пока неподвижно, учитывают не настоящую скорость, а возможное направление сдвига.
Трение покоя возникает, когда тела соприкасаются, но не скользят друг по другу. Оно меняется вслед за внешней силой: если тянуть брусок слабее, сила трения тоже меньше, а при отсутствии попытки движения она может быть равна нулю. Когда внешняя сила становится больше предельного значения, тело начинает скользить.
Трение скольжения появляется после начала относительного движения поверхностей. При этом микронеровности всё время зацепляются, разрушаются и образуют новые контакты, поэтому движение замедляется. Трение качения возникает, когда колесо или шар катится, а не скользит; поверхности в основном деформируются, поэтому такая сила обычно меньше силы трения скольжения.
При увеличении силы давления тело сильнее прижимается к опоре, и соприкасающиеся неровности сцепляются плотнее. Поэтому сила трения скольжения обычно возрастает вместе с реакцией опоры N и описывается формулой Fтр = μN. Коэффициент μ зависит от материалов, шероховатости и состояния поверхностей, а смазка обычно уменьшает сцепление и трение.
| Вид трения | Когда возникает | Направление силы | От чего зависит | Пример |
|---|---|---|---|---|
| Трение покоя | При отсутствии относительного скольжения соприкасающихся тел | Против возможного направления движения | От внешней силы до предельного значения | Книга не сдвигается по наклонной поверхности |
| Трение скольжения | При скольжении одного тела по другому | Против скорости движения | От силы давления и коэффициента трения | Сани скользят по снегу |
| Трение качения | При качении тела по поверхности | Против направления движения | От деформации тел и свойств поверхностей; обычно меньше трения скольжения | Колесо катится по дороге |
Сначала определите, есть ли скольжение, качение или только попытка сдвинуть тело. Затем по столбцу «От чего зависит» выберите нужную модель расчёта. Таблица также помогает предсказать направление силы трения.
Условие: брусок массой 2 кг скользит по горизонтальной поверхности, μ = 0,3, g = 10 Н/кг. Требуется найти силу трения. Поверхность горизонтальна, поэтому сила реакции опоры равна силе тяжести.
Ответ: сила трения равна 6 Н и направлена противоположно движению бруска.
Условие: нужно объяснить, почему тяжёлый ящик труднее сдвинуть с места, чем лёгкий, если поверхности одинаковы. До начала движения действует трение покоя. Его максимальное значение зависит от силы давления и коэффициента трения.
Ответ: тяжёлый ящик требует большей внешней силы для начала движения, потому что сильнее давит на опору.
Условие: на наклонной плоскости находятся брусок и тележка с колёсами одинаковой массы. Нужно сравнить, какое тело легче перемещать вверх. Массы одинаковы, значит сила давления на плоскость примерно одинакова.
Ответ: тележку легче перемещать вверх, потому что колёса заменяют скольжение качением и уменьшают сопротивление движению.
Ошибка 1. Считать, что сила трения всегда равна μN. Так делают, перенося формулу трения скольжения на неподвижное тело. Проверьте, есть ли скольжение: для трения покоя сила может быть меньше предельной.
Ошибка 2. Направлять силу трения по движению тела. Ошибка появляется, если смотреть на перемещение, а не на относительное движение поверхностей. Проверьте направление: трение всегда противодействует движению или его возможному направлению.
Ошибка 3. Путать силу трения с силой давления. Сила давления действует перпендикулярно поверхности, а трение — вдоль неё. Нарисуйте опору и разложите силы по направлениям, чтобы не смешать их.
Ошибка 4. Считать, что увеличение площади контакта обязательно увеличивает силу трения скольжения. В простой школьной модели сила определяется прежде всего N и μ, а не видимой площадью. Сначала проверьте материалы и силу давления, а уже потом оценивайте влияние формы поверхности.
Для изучения трения нужны знания о силах, равнодействующей, силе тяжести и реакции опоры. Условия равновесия помогают понять, почему неподвижное тело может испытывать трение покоя.
Тема встречается в объяснении движения транспорта, работы тормозов, устройства обуви и спортивного инвентаря. Колёса и подшипники используют для уменьшения трения, а протекторы и подошвы — для его увеличения.
Дальше эти знания пригодятся при изучении движения по наклонной плоскости и законов Ньютона. В задачах с несколькими силами трение рассматривают вместе с тяжестью, реакцией опоры и внешним воздействием.
Почему сила трения возникает у гладких поверхностей?
Даже гладкие на вид поверхности имеют микронеровности. Они цепляются друг за друга, а частицы соприкасающихся тел притягиваются и взаимодействуют.
Почему сила трения покоя не всегда равна своему максимальному значению?
Трение покоя подстраивается под внешнюю силу, которая пытается сдвинуть тело. Оно возрастает от нуля только до предельного значения, после которого начинается скольжение.
Куда направлена сила трения, если тело ещё не движется?
Она направлена противоположно возможному движению тела относительно опоры. Например, на наклонной плоскости сила трения покоя направлена вверх, если тело стремится скользить вниз.
Почему колёса облегчают перемещение тяжёлых предметов?
При качении поверхности меньше скользят друг относительно друга и обычно сильнее деформируются лишь в небольших областях. Поэтому трение качения значительно меньше трения скольжения.
Можно ли полностью устранить трение?
В обычных условиях полностью устранить трение нельзя: остаются деформации, шероховатость и взаимодействие частиц. Его можно уменьшить смазкой, применением колёс или подшипников.
§ 15. Свойства сил трения
