Конспект урока: Силы трения

Сила трения

Поместим брусок на горизонтальную поверхность стола. Если мы захотим, чтобы брусок начал двигаться вдоль стола, то необходимо на него подействовать, иными словами, приложить к нему силу в горизонтальном направлении. Приложив малую силу, можно заметить, что брусок, несмотря на действие силы, остаётся в покое. Отсюда можно сделать вывод, что есть ещё одна сила, которая компенсирует исходную силу тяги. Эта сила, связанная с шероховатостью поверхностей соприкасающихся тел, действует на брусок со стороны поверхности стола и называется силой трения покоя $F_{тр}$. Сила трения покоя удерживает парты от скольжения, удерживает гвоздь в стене, позволяет нам ходить по земле. Если бы трения покоя не было, мы бы не могли сделать ни шагу. Ноги бы так скользили, что мы бы не могли оттолкнуться от земли, чтобы шагнуть.

Рис. 1. К выводу силы трения

При дальнейшем увеличении воздействия на брусок мы обнаружим, что он начнёт скользить по столу только тогда, когда модуль силы тяги $F$, увеличиваясь, превысит некоторое значение $F_{max}$. Чтобы брусок продолжал своё движение с постоянной скоростью, необходимо продолжать действовать на брусок в направлении движения с определённой силой. Понятно, что и в этом случае на брусок со стороны стола в горизонтальном направлении действует сила, компенсирующая силу тяги. Эту силу называют силой трения скольжения. Если тело скользит с постоянной скоростью, то это означает, что приложенные к телу силы скомпенсированы. Это следует из первого закона Ньютона.

Рассмотрим подробнее силы, действующие на тело (рис. 1). По вертикальной оси тело не смещается, так как сила тяжести уравновешена силой реакции опоры 

$\left|{\overrightarrow{F}}_{тяж}\right| = \left|\overrightarrow{N}\right|$.

По горизонтальной оси приложенная нами сила $F$ скомпенсирована силой трения скольжения $F_{тр}$:

$\left|\overrightarrow{F}\right| = \left|{\overrightarrow{F}}_{тр}\right|$.

Нагрузим теперь сдвигаемый брусок гирей точно такой же массы m, как у бруска (рис. 1). Сила веса и сила реакции опоры, согласно третьему закону Ньютона, возрастут в два раза. При этом мы заметим, что сила, требуемая для перемещения бруска, также возрастёт в два раза. Это означает, что сила трения выросла в два раза. Точно такой же пропорциональный рост сил веса, реакции опоры и трения произойдёт, если увеличить массу бруска с грузом в 3, 4, 5 и т. д. раз. Следовательно, сила сухого трения скольжения прямо пропорциональна силе реакции опоры:

$F_{тр} ~ N.$

Коэффициент пропорциональности между силами трения и силой реакции опоры называют коэффициентом трения и обозначают греческой буквой $\mu$ (мю):
 

$F_{тр}= \mu · N.$

Формула выше была экспериментально установлена французскими учёными Гийомом Амонтоном (1663–1705) и Шарлем Кулоном (1736–1806). Поэтому соотношение $F_{тр}= \mu · N$ часто называют законом Амонтона – Кулона.

Фактически коэффициент трения показывает, во сколько раз сила трения меньше силы реакции опоры. Поэтому коэффициент трения принимает значения в диапазоне от 0 (идеально гладкая поверхность, нет трения) до 1 (идеально шероховатая поверхность, трение равно силе реакции опоры), т. е. $\mu \in [0;1]$. В случае, если тело не приходит в движение в результате действия на него силы, то возникает сила трения покоя, которая равна по модулю силе, приложенной к этому телу:

$F_{тр. покоя} = F.$

Так, например, если нам захочется сдвинуть шкаф, прикладывая к нему силу 200 Н, и он остаётся в покое, то сила трения покоя тоже равна 200 Н. При дальнейшем увеличении нашей силы воздействия сила трения покоя будет тоже расти до своего максимального значения. При максимальном значении силы трения покоя шкаф начнёт двигаться, и сила трения уже будет силой трения скольжения.

Коэффициент трения зависит от химической природы и шероховатости соприкасающихся тел, но не зависит от площади взаимодействия между телами. Некоторые значения коэффициентов трения для примера даны в таблице 1.
 

Таблица 1. Коэффициенты трения для различных материалов

Чтобы уменьшить трение поверхностей, между ними помещают специальные жидкости — смазки. Тогда трение происходит не между твёрдыми поверхностями, а в объёме смазки. Такое вязкое трение в объёме смазки меньше трения скольжения сухих поверхностей.

Рис. 2. Подшипники качения в разрезе

 

Если не тащить одно тело по поверхности другого, а катить его, тогда прилагаемая сила будет в несколько раз меньше. Говорят, что сила трения качения меньше силы трения скольжения. 

 

Трение качения используется в подшипниках качения, где качение осуществляется за счёт шариков или роликов (рис. 2). При этом для ещё большего уменьшения трения, в подшипниках также используют смазки.

Итоги

• При попытке вызвать движение одного твёрдого тела по поверхности другого возникает сила сухого трение покоя.
• Если преодолеть эту силу и вызвать скольжение тел друг по другу, возникает сила сухого трения скольжения.
• При качении одного тела по-другому возникает сила сухого трения качения, которая меньше силы сухого трения скольжения.
• Для уменьшения трения используют смазки. Трение в объёме смазки называют вязким трением.
• Сила трения направлена противоположно скорости движения данного тела по опоре.
• Отношение максимального модуля силы сухого трения покоя к модулю силы реакции опоры называют коэффициентом трения  $\mu = \frac{F_{\max }}{N}$.
• Коэффициент трения принимает значения в диапазоне от 0 до 1.
• Модуль силы сухого трения скольжения можно считать равной модулю максимальной силы сухого трения покоя.