3. Трение качения

Определения и обозначения

Трение качения — сопротивление, возникающее при качении одного тела по поверхности другого. Например, колесо катится по дороге, а шарик движется по столу. В отличие от трения скольжения, тело при качении вращается и не скользит всей поверхностью по опоре.

Сила трения качения — сила, препятствующая качению тела. Она направлена противоположно движению колеса или ролика, поэтому без толчка постепенно уменьшает их скорость. Это помогает понять, почему катящееся тело со временем останавливается.

Деформация — изменение формы или размеров тела при взаимодействии с другими телами. В месте контакта колесо и поверхность немного сминаются, а затем восстанавливают форму. На деформацию расходится часть энергии, поэтому она является одной из причин сопротивления качению.

Как это устроено

Когда колесо касается дороги, оно немного сплющивается, а дорога прогибается под нагрузкой. При движении участок деформации всё время перемещается, и материал колеса сжимается и распрямляется заново. На это требуется энергия, поэтому движение встречает сопротивление даже тогда, когда заметного скольжения нет.

В идеальной модели твёрдое колесо катилось бы без потерь, но реальные материалы не являются абсолютно жёсткими. Они частично поглощают энергию деформации и возвращают её не полностью. Оставшаяся часть превращается главным образом во внутреннее нагревание, поэтому скорость колеса постепенно уменьшается.

Сила трения качения направлена против движения колеса. Если перестать толкать тележку, эта сила вместе с сопротивлением воздуха и другими потерями уменьшает её скорость. Чем больше сопротивление, тем быстрее тело останавливается на одном и том же участке пути.

Трение качения обычно намного меньше трения скольжения, потому что при качении нет непрерывного сдвига всей поверхности по опоре. Контакт происходит в небольшой области, которая перемещается вместе с колесом. Поэтому ящик на колёсах легче двигать, чем такой же ящик, который приходится тащить по полу.

Величина сопротивления зависит от материалов, формы и состояния поверхностей. Мягкая дорога сильнее деформируется под колесом, а спущенная шина проминается больше, чем хорошо накачанная. Поэтому давление в шинах, качество покрытия и нагрузка влияют на лёгкость движения.

Колёса применяют в тележках, автомобилях, велосипедах и поездах, чтобы заменить скольжение качением. В механизмах подшипники содержат шарики или ролики, которые катятся между деталями и уменьшают их взаимное сопротивление. Благодаря этому детали медленнее изнашиваются, а двигателю требуется меньше энергии.

Сравнение трения покоя, скольжения и качения

В таблице сначала определите, движется ли тело относительно опоры и вращается ли оно. Затем сравните, что происходит в области контакта и как это отражается на движении. Такое сравнение помогает не путать три вида трения.

Разбор задач

Почему тяжёлый ящик легче перемещать на тележке, чем волочить по полу?

В первом случае ящик опирается на колёса, а во втором его днище скользит по полу. Масса ящика остаётся одинаковой, поэтому сравнивать нужно не вес, а вид сопротивления. Требуется объяснить, почему качение выгоднее скольжения.

1. При волочении поверхности ящика и пола непрерывно сдвигаются друг относительно друга, поэтому действует трение скольжения.
2. На тележке ящик движется вместе с колёсами, а колёса вращаются и катятся по полу.
3. Сопротивление качению обычно меньше сопротивления скольжению, поэтому для движения нужна меньшая сила.

Ответ: ящик легче перемещать на тележке, потому что колёса заменяют трение скольжения более слабым трением качения. Поэтому требуется меньшая толкающая сила.

Колесо катится по ровной дороге и постепенно останавливается. Назвать силу, которая препятствует его движению, и указать её направление.

Колесо движется вперёд, но его скорость уменьшается без дополнительного толчка. Значит, на него действует сила, направленная против скорости. Нужно выбрать её название и направление.

1. Колесо катится, а не скользит, поэтому рассматриваем силу трения качения.
2. Эта сила препятствует перемещению колеса и возникает из-за деформации колеса и дороги.
3. Если движение направлено вперёд, сила трения качения направлена назад.

Ответ: колесо останавливает сила трения качения. Она направлена противоположно движению колеса.

Как показать, что сопротивление качению зависит от поверхности?

Нужно сравнить движение одного и того же колеса по двум покрытиям, например по гладкому полу и ковру. Результат должен зависеть именно от поверхности, а не от разных колёс или толчков. Поэтому остальные условия опыта следует сделать одинаковыми.

1. Поставьте одинаковое колесо на первое покрытие и сообщите ему один и тот же начальный толчок.
2. Измерьте расстояние до остановки, затем повторите опыт на втором покрытии.
3. Сравните расстояния: меньший путь означает большее сопротивление качению.

Ответ: если на ковре колесо остановится раньше, сопротивление там больше. Одинаковыми нужно оставить колесо, его нагрузку, начальную скорость, направление движения и длину пути измерения.

Типичные ошибки

«При качении трения нет». Ошибка возникает потому, что колесо катится заметно легче, чем скользит. На самом деле деформация колеса и опоры создаёт сопротивление, поэтому проверьте себя: отпустите катящееся колесо и наблюдайте, остановится ли оно само.

Путать качение со скольжением. При скольжении поверхность тела движется по опоре, а при качении тело вращается и перемещается. Чтобы проверить ответ, спросите себя, есть ли у тела вращение и скользит ли его точка контакта по опоре.

Направлять силу трения по движению. Так бывает, если забыть, что сила трения препятствует относительному движению. Проверьте направление стрелкой: сила трения качения должна быть направлена против скорости колеса.

Считать, что сопротивление зависит только от массы. Большая нагрузка действительно может усилить деформацию, но важны также материалы, покрытие и состояние колеса. Для проверки сравните одинаковую нагрузку на твёрдой и мягкой поверхностях.

Связь с другими темами

До изучения трения качения нужно знать, что такое сила трения и как определяют её направление относительно движения. Это позволяет сразу понять, почему сила трения качения уменьшает скорость, а не увеличивает её.

Тема связана с движением тел, устройством колёсного транспорта и уменьшением сопротивления в механизмах. Эти знания помогают объяснить работу колёс, роликов и подшипников, а также понять, зачем следят за состоянием дорог и давлением в шинах.

Что запомнить

• Трение качения возникает, когда тело катится по поверхности.
• Сила трения качения препятствует движению тела.
• Сопротивление качению связано с деформацией колеса и поверхности.
• Трение качения обычно меньше трения скольжения.
• Колёса помогают перемещать предметы с меньшим сопротивлением.
• Сопротивление качению зависит от соприкасающихся поверхностей.