Сухое трение

Тело движется равномерно и прямолинейно, когда внешняя сила уравновешивает возникающую при движении силу трения.

Для измерения силы трения, действующей на тело, достаточно измерить силу, которую необходимо приложить к телу, чтобы оно двигалось без ускорения.

Внешнее трение твердого тела по твердому телу называется сухим трением.

Величина трения зависит от состояния поверхности соприкос­новения и скорости относительного перемещения тел.

В возникновении сил трения существенную роль играют силы молекулярного притяжения, действующие между молекулами со­прикасающихся тел, и механические силы, которые возникают в за­цеплениях отдельных выступов, всегда имеющихся даже на хорошо отшлифованных поверхностях. Действительное соприкосновение тел происходит при этом на отдельных участках, общая площадь которых значительно меньше видимой площади соприкосновения. На этих участках даже малые нагрузки создают высокие местные давления, вызывающие деформации поверхностного слоя и взаим­ное — внедрение отдельных микрочастей тел.

Таким образом, сила сухого трения обусловлена следующими основными факторами: упругой и пластической деформациями неровностей при сцеплении и действием молекулярных сил. Строгой теории сил трения до сих пор не существует.

Различают два вида сухого трения: трение скольжения и трение качения. Первое возникает при движении груза по плоскости, оси колеса во втулке, гвоздя, вбиваемого в доску; второе — при дви­жении колеса автомобиля, велосипеда по поверхности Земли, шариков шарикоподшипника в оправе. (Трение качения мы рассмотрим в главе о вращательном движении твердых тел.)

Поместим на горизонтальную поверхность стола брусок, при­крепим к его торцу нить и перекинем ее через блок (рис.3).

Рис.3

К ви­сящему концу нити будем прикладывать последовательно возрастаю­щие нагрузки. Брусок останется в покое при любых нагрузках, меньших по весу некоторого значения G _макс. Следовательно, на брусок, пока он покоится, действует в направлении, противополож­ном приложенной силе, сила трения: Сила трения, действующая между соприкасающимися телами в состоянии покоя, называется силой трения покоя. Она равна по величине и противоположна по направлению силе, понуждающей тело к движению, и меняется по величине при ее из­менении. Существование сил трения покоя, видимо, связано с проявлением сил межмолекулярного взаимодействия и с наличием еще до начала скольжения малых обрати­мых деформаций неровностей по­верхности.

При достижении внешней силой предельного значения силы трения покоя F _макс возникает скольжение тел. Законы трения скольжения были сформулированы французским ученым Амонтоном (1699 г.) и не­зависимо от него Кулоном (1781 г.). Величина максимальной силы трения покоя пропорциональна силе реакции R _n, действующей нормально к поверхностям сопри­косновения тел:

(2)

где — коэффициент трения покоя, зависящий только от свойств поверхностей соприкасающихся тел. Выражение (2) называют законом Амонтона.

Значение коэффициента трения проще всего найти методом пре­дельного угла,. Для этого измеряют угол.наклона плоскости, при котором начинается скольжение тела, лежащего на ней (рис. 4).

Рис.4

Тело и плоскость изготовляют из материалов, для которых хотят найти значение . В момент начала скольжения тела по плоскости сила трения равна тангенциальной (направленной параллельно плоскости) составляющей силы тяжести: . Реакция плоскости:, где m —масса тела.

Отсюда в соответствии с формулой (2)

или

(3)

т. е. коэффициент трения покоя численно равен тангенсу предель­ного угла ().

Строго говоря, коэффициент трения покоя непостоянен, он меняется в зависимости от давления между телами, от температуры и т. п. Поэтому закон Амонтона можно рассматривать лишь как приближенный. Если сила, действующая на тело, больше предельного значения силы трения покоя F>F_макс, то тело приобретает ускорение и сила трения покоя переходит в силу трения скольжения. В некоторых специальных случаях (трение металлических тел с очищенной поверхностью и т. п.) сила трения скольжения для сравнительно небольшого интервала скоростей примерно равна предельной силе трения покоя и не зависит от скорости движения. График зависи­мости силы трения F _тр от скорости v для этого случая дан на рисун­ке 5. Эта зависимость называется законом Кулона. Для относитель­ной скорости, равной нулю (v =0), сила трения F _тр не однозначна и может принимать любые значения от +F_макс до —F_макс. Следова­тельно, для кулоновских сил трения коэффициент трения опреде­ляет величину не только максимальной силы трения покоя, но и величину силы трения скольжения.

Рис.5 Рис.6

В общем же случае сила трения скольжения зависит от относительной скорости тел. Характер этой зависимости изображен на рисунке 6. При скорости v =0 сила трения может принимать любые значения, по абсолютной величине меньшие или равные F _макс, Для некоторого весьма малого интервала значений скорости сила трения приближенно постоянна, а затем уменьшается, достигает минимума и начинает возрастать.

Измерение сил трения скольжения производят с помощью при­боров, называемых трибометрами. Принцип действия трибометра: одно из испытуемых тел А (рис.1) приводится в движение относительно второго Б, к телу Б (контртело) прикрепляется динамометр, который измеряет тангенциальную силу, необходимую для удержания контртела в покое.

Дата добавления: 2014-01-06