5. Какая именно сила трения действует на тело?

Определения и обозначения

Сила трения — сила, возникающая при соприкосновении тел и препятствующая их относительному движению или его началу; её обозначают Fтр. Она объясняет, почему предмет не начинает двигаться сразу под действием небольшой силы и почему движущийся брусок постепенно останавливается.

Сила трения покоя действует на соприкасающееся тело, пока оно не скользит относительно опоры. Она нужна для описания случаев, когда тело удерживается на месте, например книги на наклонной поверхности или ноги человека при ходьбе.

Сила трения скольжения возникает, когда одно тело скользит по поверхности другого, и направлена против скольжения. С её помощью находят силу, замедляющую сани, брусок или другой скользящий предмет.

Сила трения качения препятствует качению тела по поверхности и направлена против движения. Она возникает у колеса или шарика и обычно заметно меньше трения скольжения, поэтому колёса облегчают перемещение грузов.

Как это устроено

Соприкасающиеся поверхности кажутся гладкими, но под увеличением видны их неровности. Эти неровности цепляются друг за друга, а частицы материалов притягиваются и деформируются. Поэтому сила трения направлена вдоль поверхности соприкосновения и мешает относительному движению тел.

Трение покоя изменяется вслед за внешней силой, потому что его задача — не дать телу начать скользить. Если осторожно тянуть книгу, сила трения принимает такое же значение и уравновешивает тягу. Но она не может расти бесконечно и не превышает максимальное значение Fтр.покоя max.

Когда внешняя сила становится больше предельного значения, тело начинает скользить. После этого трение покоя сменяется трением скольжения, которое при прочих равных условиях обычно меньше максимального трения покоя. Поэтому начало движения часто требует большей силы, чем поддержание уже начавшегося скольжения.

При скольжении сила трения зависит от силы прижатия и свойств соприкасающихся поверхностей. Чем сильнее поверхности прижаты друг к другу, тем труднее их сдвигать. В простейшей модели используют формулу Fтр = μN, где μ — коэффициент трения, а N — сила реакции опоры.

При качении участок соприкосновения непрерывно меняется, а деформация тел и поверхности обычно меньше, чем при скольжении. Из-за этого сопротивление движению часто оказывается значительно слабее. Именно поэтому груз удобнее перевозить на колёсах, чем волочить по земле.

Виды силы трения

Сначала определите, есть ли скольжение или качение, либо тело пока неподвижно. Затем по строке «Направление» выберите сторону силы, а по строке «Особенность величины» — подходящий способ вычисления.

Таблица помогает не смешивать три вида трения в одной задаче. Особенно важно отличать максимальное трение покоя от обычного: покоящееся тело может испытывать силу, меньшую предельной.

Разбор задач

Задача 1

На горизонтальном столе лежит книга. К ней прикладывают горизонтальную силу 3 Н, но книга остаётся неподвижной. Нужно найти силу трения и понять, почему она не равна автоматически максимальному значению.

1. Книга покоится, значит, горизонтальная равнодействующая сил равна нулю.
2. Сила трения покоя направлена против приложенной силы.
3. Чтобы уравновесить силу 3 Н, трение должно иметь такую же величину: Fтр = 3 Н.

Ответ: сила трения покоя равна 3 Н и направлена противоположно приложенной силе.

Задача 2

Брусок массой 2 кг скользит по горизонтальной поверхности; коэффициент трения скольжения равен 0,2. Найдём силу трения при g = 10 Н/кг.

1. На горизонтальной поверхности сила реакции опоры равна весу: N = mg = 2 · 10 = 20 Н.
2. Подставим значение в формулу трения: Fтр = μN = 0,2 · 20 = 4 Н.
3. Сила трения направлена против направления скольжения бруска.

Ответ: Fтр = 4 Н, направление — противоположно движению.

Задача 3

Тележку тянут по полу на колёсах, а такой же груз пытаются сдвинуть волоком. Сравним силы и выясним, в каком случае движение начать легче.

1. У тележки возникает трение качения, а у груза, который ещё не движется, — трение покоя.
2. Для начала скольжения нужно превзойти максимальное трение покоя, тогда как сопротивление качению обычно меньше.
3. Поэтому тележку легче привести в движение и затем перемещать на колёсах.

Ответ: катить тележку легче, потому что трение качения обычно значительно меньше трения скольжения, а для волочения сначала нужно преодолеть максимальное трение покоя.

Типичные ошибки

Считать, что сила трения покоя всегда равна μN, — ошибка. Такую формулу в простейшем виде применяют для трения скольжения, а трение покоя принимает нужное значение до своего максимума. Проверьте себя: если тело покоится и внешняя сила мала, трение должно уравновешивать именно её.

Иногда силу трения направляют по движению, потому что тело действительно движется в эту сторону. Но трение препятствует относительному движению, поэтому его стрелка направлена противоположно скольжению или возможному началу движения. Для проверки мысленно определите, какая поверхность движется относительно другой.

Трение скольжения и качения нельзя называть одинаково, не учитывая характер движения. Если тело катится, участок контакта меняется и действует трение качения; если поверхность проскальзывает, действует трение скольжения. Полезно проверить, есть ли у колеса вращение без проскальзывания.

Ошибочно полагать, что увеличение площади соприкосновения обязательно увеличивает силу трения. В школьной модели она главным образом определяется силой прижатия и свойствами поверхностей, а не площадью. Сначала запишите Fтр = μN и выясните, изменились ли N или μ.

Связь с другими темами

Для решения задач о трении нужно знать силы, их направления, равнодействующую и условие равновесия тела. Эти знания позволяют понять, почему покоящийся предмет не ускоряется.

Также важно уметь применять второй закон Ньютона и находить реакцию опоры. На горизонтальной поверхности без вертикального ускорения обычно N = mg.

Трение связано с движением, равновесием и работой сил. Оно объясняет устройство колёс, подшипников и тормозов: одни детали уменьшают сопротивление, а другие специально его увеличивают.

Что запомнить

• Трение возникает при соприкосновении поверхностей и препятствует относительному движению.
• Трение покоя действует без скольжения и препятствует началу движения.
• Сила трения покоя не постоянна: она возрастает вместе с внешней силой до максимального значения.
• При скольжении действует сила трения скольжения, направленная против скольжения.
• Для трения скольжения используют формулу Fтр = μN.
• Трение качения обычно меньше трения скольжения.
• Вид силы трения определяется характером относительного движения соприкасающихся тел.