Сила трения

Трением называют взаимодействие между различными соприкасающимися телами, препятствующее их относительному перемещению по касательной к поверхности соприкосновения тел.

Рассмотрим следующий опыт. Положим книгу на горизонтальный стол и не будем ее касаться (рис. 2.2.1). Поскольку все силы: сила тяжести , реакция стола (приложена к книге) и вес книги (приложена к столу), – перпендикулярны поверхности стола, то нет причин для возникновения касательных сил, т.е. сил, направленных вдоль стола. Другими словами, нет трения.

Попробуем сдвинуть книгу, прикладывая к ней силу , направленную вдоль стола. Книга остается на месте до тех пор, пока действующая на нее сила не достигнет определенной величины. В этом случае перемещению книги препятствует сила трения покоя между столом и книгой. На рис. 2.2.2 показаны силы, действующие на неподвижную книгу, когда мала. При этом на книгу фактически действуют две силы: и , где равнодействующая сил тяжести и , равнодействующая сил, действующих на книгу со стороны стола. Эту силу можно разложить на две составляющие: направленную перпендикулярно поверхности стола силу нормальной реакции опоры и направленную вдоль поверхности стола (ее и называют обычно силой трения). Силы трения, как и все силы в инерциальных системах отсчета, возникают парами: сила трения приложена к книге, равная ей по модулю к поверхности стола (составляющая силы , являющейся результирующей сил, действующих на стол со стороны книги; другой составляющей этой силы является вес книги). Т.к. книга неподвижна, то имеем дело с силами трения покоя. Сила трения покоя вызывается зацеплением неровностей поверхностей тел, упругими деформациями этих неровностей и сцеплением их на тех местах, где расстояние между частицами столь мало, что возможно межмолекулярное притяжение.

Таким образом, силу трения покоя можно рассматривать как разновидность проявления сил упругости.

Сила трения покоя возникает как реакция на внешнее воздействие. По своей природе величина силы трения покоя не может зависеть от того, в каком направлении мы действуем на тело: она всегда равна по абсолютному значению и направлена противоположно силе, приложенной к телу параллельно поверхности соприкосновения его с другим телом.

По величине сила трения покоя может изменяться от нуля до некоторого максимального значения. Как показывает опыт, максимальная сила трения покоя пропорциональна силе, действующей перпендикулярно поверхности соприкосновения тел – силе нормальной реакции опоры

, (2.2.4)

где коэффициент трения, зависящий от материалов трущихся поверхностей и качества из обработки.

Построим график зависимости модуля силы трения от величины внешней силы (рис. 2.2.3). Если , то и сила трения будет равна нулю. Пусть (книга остается в покое). Это означает, что сила трения покоя . Увеличим до величины , при которой книга по-прежнему неподвижна. Сила трения покоя возрастает до этой величины: . И так далее до тех пор, пока при некотором значении сила трения покоя не достигнет своего максимального значения. При дальнейшем увеличении внешнего воздействия тело начинает скользить, а действующая при этом сила трения называется силой трения скольжения. Как правило, сила трения скольжения несколько меньше максимальной силы трения покоя. Возникновение «ступеньки» связано с так называемым явлением «застоя». Однако в большинстве случаев при решении задач этим явлением пренебрегают и силу трения скольжения считают равной максимальной силе трения покоя:

.(2.2.5)

Говоря о трении, следует упомянуть о силе трения качения, которая действует на катящиеся тела, в частности, на колеса автомобиля. Сила трения качения возникает из-за деформации поверхности перед катящимся телом. Эта сила обратно пропорциональна радиусу катящегося тела. Обычно сила трения качения гораздо меньше силы трения скольжения и ей пренебрегают.

Совсем другая картина наблюдается при движении твердого тела в жидкости или газе. В этом случае на тело действует как бы особый вид трения – сопротивление среды. Основная особенность силы сопротивления в том, что она возникает только при относительном движении тела и среды. При этом сила трения покоя полностью отсутствует. При малых скоростях движения силу сопротивления можно

считать прямо пропорциональной скорости:

, (2.2.6)

где коэффициент сопротивления, зависящий от формы и размеров тела, а также свойств вязкой среды.

Особо следует выделить случай, когда трение не только не препятствует, а наоборот, вызывает движение. Прежде всего, именно благодаря силе трения мы ходим и бегаем, благодаря силе трения движутся велосипеды и автомобили.

В качестве примера рассмотрим, как движется автомобиль. Внешней силой, сообщающей автомобилю ускорение, является сила трения ведущих колес о полотно дороги, а не сила тяги мотора. Сила тяги мотора, как и мышечные усилия при ходьбе, является внутренней силой, от которой зависит «внешняя сила» – сила трения, действующая на ведущие колеса со стороны дороги в направлении движения. Сила тяги мотора – это причина появления движущей силы – силы трения, но сама движущей силой не является.

Колеса автомобиля, на которые с помощью привода передается вращательное

движение от мотора, называются ведущими. У большинства автомобилей ведущие колеса – задние. При вращении ведущих колес покрышка толкает поверхность дороги с силой _. По третьему закону Ньютона поверхность дороги действует на автомобиль с силой в направлении движения.

При обычном движении автомобиля (без проскальзывания колес) на ведущие колеса со стороны дороги действует сила трения покоя. Она и может быть разной при различной силе тяги мотора. Кроме этого, на автомобиль действует сила сопротивления воздуха, а также сила трения качения колес. При некоторой силе тяги мотора сила трения колес о дорогу может достичь максимального значения и колеса начнут буксовать. Всем приходилось наблюдать в гололед такую картину: мотор машины ревет (сила тяги машины велика), ведущие колеса крутятся, а сама машина стоит на месте или еле-еле «ползет». Причина – в очень маленьком трении между колесами и ледяной поверхностью дороги.

Дата добавления: 2014-01-20