Т. Сила трения

Силы трения. Коэффициент трения

Силой трения называют силу, возникающую при соприкосновении двух тел и препятствующую их относительному перемещению. Она приложена к телам вдоль поверхности соприкосновения. Трение, возникающее между поверхностями различных тел, называют внешним трением. Если трение проявляется между частями одного и того же тела, то оно называется внутренним трением.

Трение между поверхностями двух соприкасающихся твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки называется сухим трением.

Трение между поверхностью твердого тела и окружающей его жидкой или газообразной средой, в которой тело движется, называется вязким трением.

Различают трение покоя, трение скольжения и трение качения.

Сила трения покоя F_tr.p возникает между неподвижными твердыми телами, когда есть силы, действующие в направлении возможного движения тела.

Сила трения покоя всегда равна по модулю и направлена противоположно силе, параллельной поверхности соприкосновения и стремящейся при вести это тело в движение. Увеличение этой приложенной к телу внешней силы приводит к возрастанию и силы трения покоя. Сила трения покоя направлена в сторону, противоположную возможному перемещению тела (рис. 1 а, б). \(~\vec F_{tr.p} = -\vec F, \ 0 < F_{tr.p} < F_{tr.p.max}\). Максимальная сила трения покоя пропорциональна модулю силы нормального давления F_d, производимого телом на опору:

\(~F_{tr.p.max} = \mu_0 F_d.\)

Рис. 1

Так как по третьему закону Ньютона F_d = N_r (N_r — сила нормальной реакции опоры), то F_tr.p.max = μ₀N_r. Здесь μ₀ — коэффициент трения покоя, зависящий от материала и состояния трущихся поверхностей. Сила трения покоя препятствует началу движения. Но бывают случаи, когда сила трения покоя служит причиной возникновения движения тела. Например, ходьба человека. При ходьбе сила трения покоя, действующая на подошву, сообщает нам ускорение. Подошва не скользит назад, и, значит, трение между ней и дорогой — это трение покоя.

Рассмотрим брусок, лежащий на тележке (рис. 2). На него действует сила \(~\vec F\), стремящаяся сдвинуть его с места. В противоположном направлении на брусок со стороны тележки действует сила трения покоя \(~\vec F_{tr.p}\). На тележку со стороны бруска действует такая же по модулю и противоположная по направлению сила \(~\vec F_{tr.p}\), приводящая к движению тележки вправо. Сила трения покоя играет принципиальную роль в движении машин. Шины ведущих колес автомобилей как бы отталкиваются от дороги, и при отсутствии пробуксовки толкающая автомобиль сила — это сила трения покоя.

Рис. 2

Сила трения скольжения F_tr возникает при соприкосновении движущихся относительно друг друга тел и затрудняет их движение. Сила трения скольжения направлена вдоль поверхности соприкосновения в сторону, противоположную скорости движения. Сила трения скольжения \(~\vec F_{tr}\) прямо пропорциональна силе нормального давления:

\(~F_{tr} = \mu F_d \Rightarrow F_{tr} = \mu N_r.\)

где μ — коэффициент трения скольжения, зависящий от качества обработки поверхностей и их материала.

\(~\mu = \frac{F_{tr}}{N_r}\) — const для данных тел.

μ₀ ≈ μ (μ₀ несколько больше μ — сдвинуть тело с места труднее, чем продолжать его начавшееся скольжение).

Сила трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей тел и их положения относительно друг друга, а также от модуля скорости при небольших скоростях, но зависит от направления скорости: при изменении направления скорости изменяется и направление \(~\vec F_{tr}\) (рис. 3). Действие сил трения скольжения сопровождается превращением механической энергии во внутреннюю.

Рис. 3

Существование сил трения объясняется проявлением сил электромагнитного взаимодействия. Силы трения покоя вызываются в основном упругими деформациями микровыступов на поверхности трущихся тел, силы трения скольжения возникают в результате пластических деформаций микровыступов и их частичного разрушения, а также сил межмолекулярного взаимодействия в области контактов.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 36-37.