"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 начинать движение относительно друг друга. Она появляется из-за неровностей поверхностей и взаимодействия их частиц. Трение бывает покоя, скольжения и качения: оно может удерживать книгу на наклонной полке, замедлять сани или помогать колёсам двигаться. Главные правила темы — правильно определить направление силы и выбрать нужную формулу.
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 действует не сама по себе, а из-за взаимодействия поверхностей. Это понятие помогает объяснить, почему тело замедляется, не сдвигается или удерживается на месте.
Сила трения покоя — сила, удерживающая соприкасающиеся тела от начала движения. Она изменяется от нуля до предельного значения и принимает именно столько, сколько нужно для равновесия. Поэтому неподвижный предмет может испытывать трение, даже если внешнее движение отсутствует.
Сила трения скольжения — сила, возникающая при скольжении одного тела по поверхности другого и направленная против движения. Её находят, когда поверхности уже перемещаются друг относительно друга. Она позволяет рассчитывать замедление саней, бруска или другого скользящего тела.
Коэффициент трения — безразмерная величина, характеризующая взаимодействие соприкасающихся поверхностей. Обозначается греческой буквой μ и зависит от материалов, шероховатости и состояния поверхностей. Чем больше μ, тем сильнее сопротивление скольжению при одинаковой силе прижатия.
Трение возникает из-за неровностей соприкасающихся поверхностей: выступы одной поверхности цепляются за впадины другой. Даже гладкие на вид тела имеют микроскопические неровности. Дополнительно частицы поверхностей притягиваются, поэтому для движения нужно разрушать или деформировать эти маленькие сцепления.
Сила трения направлена вдоль поверхности соприкосновения и противоположна движению или возможному движению тела. Причина такого направления в том, что взаимодействие поверхностей сопротивляется их относительному перемещению. Если тело ещё покоится, направление определяют по тому, куда оно могло бы начать двигаться.
При попытке сдвинуть тело сначала действует сила трения покоя. Она увеличивается вместе с внешней силой, потому что поверхности сильнее сопротивляются попытке движения, пока не достигнут предела. Если внешняя сила превысит предельное трение, тело начнёт скользить.
При скольжении сила трения зависит от силы прижатия тел и свойств поверхностей: Fтр = μN. Чем сильнее тело прижато к поверхности, тем больше соприкасающихся неровностей деформируется и тем больше сопротивление. Коэффициент μ учитывает, насколько легко или трудно скользят именно эти материалы.
Трение качения обычно значительно меньше трения скольжения, потому что при качении нет постоянного срезания выступов поверхностей. Соприкасающиеся тела в основном немного деформируются, и сопротивление получается меньше. Поэтому колёса и подшипники облегчают перемещение тяжёлых предметов.
В таблице сначала найдите вид трения по характеру движения, затем сравните его направление и причины изменения. Формулу Fтр = μN применяют прежде всего для трения скольжения и предельного трения покоя. Для трения качения важны деформация тел и устройство соприкасающихся деталей.
| Вид трения | Когда возникает | Направление силы | От чего зависит | Примеры |
|---|---|---|---|---|
| Трение покоя | Тело соприкасается с поверхностью, но не скользит | Против возможного движения | От внешней силы до предельного значения, а также от свойств поверхностей и силы прижатия | Книга на наклонной полке, автомобиль при начале движения |
| Трение скольжения | Одно тело скользит по поверхности другого | Против скорости движения | От коэффициента трения и силы нормального давления: Fтр = μN | Сани на снегу, брусок на столе |
| Трение качения | Тело катится по поверхности | Против движения | От деформации тел и свойств соприкасающихся поверхностей | Колесо тележки, шарик подшипника |
Условие. Брусок движется по горизонтальному столу вправо. Нужно указать направление силы трения и назвать все силы, действующие на брусок. Данных о дополнительной тяге в условии нет, поэтому учитываем только названные физические силы.
Ответ. Сила трения направлена влево, сила тяжести — вниз, реакция опоры — вверх. Внешнюю силу показывают только тогда, когда она указана в условии.
Условие. Брусок массой 5 кг скользит по горизонтальной поверхности. Коэффициент трения равен 0,2, g = 10 Н/кг. Требуется найти силу трения, поэтому сначала определим силу прижатия к столу.
Ответ. Сила трения равна 10 Н и направлена против движения бруска.
Условие. Брусок массой 4 кг скользит вниз по наклонной плоскости с углом 30°. Коэффициент трения равен 0,25, g = 10 Н/кг. Найдём сначала трение, а затем ускорение вдоль плоскости.
Ответ. Сила трения примерно 8,7 Н, она направлена вверх по наклонной плоскости; ускорение бруска примерно 2,8 м/с² вниз по плоскости.
Силу трения часто направляют в сторону движения тела. Так происходит, если путают силу, которая разгоняет тело, с силой сопротивления. Проверьте себя: трение должно быть направлено против движения или против возможного сдвига.
Иногда считают, что сила трения покоя всегда равна μN. Ошибка появляется из-за механического запоминания формулы для скольжения. Сравните внешнюю силу с предельным значением: пока тело покоится, трение покоя может быть меньше μN.
Формулу Fтр = μN применяют к любой ситуации, не различая виды трения. Но для качения важны деформации, а для покоя сила изменяется до предела. Сначала определите, скользит тело, катится или остаётся неподвижным.
Нельзя считать трение только вредным явлением. Без него человек не смог бы ходить, автомобиль не начал бы движение, а предметы соскальзывали бы с поверхностей. Проверяйте роль трения по ситуации: оно может как помогать движению и удержанию, так и вызывать износ и потери энергии.
Для решения задач о трении нужны понятия силы, равнодействующей сил, силы тяжести, реакции опоры и второй закон Ньютона. Эти знания продолжат работать при изучении движения по наклонной плоскости и условий равновесия тел. В быту и технике трение объясняет работу транспорта, тормозов, механизмов, колёс и подшипников.
Почему сила трения возникает даже у гладких на вид поверхностей?
Любая поверхность имеет неровности, хотя многие из них не видны глазом. Кроме того, частицы соприкасающихся тел притягиваются и взаимодействуют друг с другом.
Почему сила трения покоя не всегда равна μN?
Трение покоя подстраивается под внешнюю силу: оно может иметь любое значение от нуля до предельного. Равенство Fтр = μN обычно описывает максимальное трение покоя или трение скольжения.
Как определить направление силы трения?
Сначала определите направление движения тела или направление, в котором оно могло бы начать двигаться. Сила трения направлена вдоль поверхности соприкосновения противоположно этому движению.
Почему колёса уменьшают сопротивление движению?
При качении поверхности меньше скользят друг относительно друга и иначе деформируются. Поэтому трение качения обычно значительно меньше трения скольжения.
Можно ли полностью устранить трение?
В обычных условиях полностью устранить трение нельзя. Его можно уменьшить смазкой, обработкой поверхностей, использованием колёс и подшипников или уменьшением силы прижатия.
4. Сила трения
