Главная > Монтаж  > Сила трения скольжения. Находим силу трения


Сила трения скольжения. Находим силу трения




В окружающем нас мире существует множество физических явлений: гром и молния, дождь и град, электрический ток, трение… Именно трению и посвящён наш сегодняшний доклад. Почему возникает трение, на что влияет, от чего зависит сила трения? И, наконец, трение - это друг или враг?

Что такое сила трения?

Немного разбежавшись, можно лихо прокатиться по ледяной дорожке. Но попробуйте сделать это на обычном асфальте. Впрочем, и пробовать не стоит. Ничего не получится. Виновницей вашей неудачи станет очень большая сила трения. По этой же причине сложно сдвинуть с места массивный стол или, скажем, пианино.

В месте соприкосновения двух тел всегда возникает взаимодействие, которое препятствует движению одного тела по поверхности другого. Его и называют трением. А величину этого взаимодействия - силой трения.

Виды сил трения

Представим себе, что вам надо передвинуть тяжелый шкаф. Вашей силы явно не хватает. Увеличим «сдвигающую» силу. Одновременно увеличивается и сила трения покоя. И направлена она в сторону противоположную движения шкафа. Наконец, «сдвигающая» сила «побеждает» и шкаф трогается с места. Теперь в свои права вступает сила трения скольжения. Но она меньше силы трения покоя и дальше шкаф передвигать значительно легче.

Вам, конечно, приходилось наблюдать, как 2-3 человека откатывают в сторону тяжелый автомобиль с внезапно заглохшим двигателем. Люди, толкающие автомобиль, никакие не силачи, просто на колеса автомобиля действует сила трения качения. Этот вид трения возникает при перекатывании одного тела по поверхности другого. Может катиться шарик, круглый или гранёный карандаш, колеса железнодорожного состава и т. д. Этот вид трения гораздо меньше силы трения скольжения. Поэтому совсем легко передвигать тяжелую мебель, если она снабжена колёсиками.

Но, и в этом случае сила трения направлена против движения тела, следовательно, уменьшает скорость тела. Если бы не её «вредный характер», разогнавшись на велосипеде или роликах, можно было бы наслаждаться ездой бесконечно долго. По этой же причине автомобиль с выключенным двигателем ещё какое-то время будет двигаться по инерции, а затем остановится.

Итак, запоминаем, различают 3 вида сил трения:

  • трение скольжения;
  • трение качения;
  • трение покоя.

Быстрота изменения скорости называется ускорением. Но, поскольку, сила трения замедляет движение, то это ускорение будет со знаком «минус». Правильно будет сказать, под действием трения тело движется с замедлением.

Какова природа трения

Если рассмотреть гладкую поверхность полированного стола или льда через лупу (увеличительное стекло), то вы увидите крохотные шероховатости, за которые и цепляется тело, скользящее или катящееся по его поверхности. Ведь подобные выступы есть и у тела, движущегося по этим поверхностям.

В точках соприкосновения молекулы настолько сближаются, что начинают притягиваться друг к другу. Но тело продолжает движение, атомы удаляются друг от друга, сцепки между ними рвутся. Это приводит в колебание освободившиеся от притяжения атомы. Примерно так, как колеблется освобожденная от растяжения пружина. Мы же воспринимаем эти колебания молекул как нагревание. Вот почему трение всегда сопровождается повышением температуры соприкасающихся поверхностей.

Значит, существуют две причины, вызывающие это явление:

  • неровности на поверхности соприкасающихся тел;
  • силы межмолекулярного притяжения.

От чего зависит сила трения

Вероятно, вам приходилось замечать, резкое торможение санок, если они съезжают на участок, посыпанный песком. И ещё одно интересное наблюдение, когда на санках находится один человек, они проделают, съехав с горки, один путь. А если двое друзей будут съезжать вместе, санки остановятся быстрее. Следовательно, сила трения:

  • зависит от материала соприкасающихся поверхностей;
  • кроме того, трение возрастает с увеличением веса тела;
  • действует в сторону противоположную движению.

Замечательная наука физика еще и тем хороша, что многие зависимости можно выразить не только словами, но и в виде специальных знаков (формул). Для силы трения это выглядит так:

Fтр = kN где:

Fтр - сила трения.

k - коэффициент трения, который отражает зависимость силы трения от материала и чистоты его обработки. Скажем, если металл катится по металлу k=0,18, если вы мчитесь на коньках по льду k= 0,02 (коэффициент трения всегда меньше единицы);

N - это сила, действующая на опору. Если тело находится на горизонтальной поверхности, эта сила равна весу тела. Для наклонной плоскости она меньше веса и зависит от угла наклона. Чем круче горка, тем легче с нее скатиться и дольше можно проехать.

А, высчитав по этой формуле силу трения покоя шкафа, мы узнаем какую силу нужно приложить, чтобы сдвинуть его с места.

Работа силы трения

Если на тело действует сила, под действием которой тело перемещается, то всегда совершается работа. У работы силы трения свои особенности: ведь она не вызывает движение, а препятствует ему. Поэтому, совершаемая ею работа, всегда будет отрицательной, т.е. со знаком «минус», в какую бы сторону не двигалось тело.

Трение - это друг или враг

Силы трения сопровождают нас повсюду, принося ощутимый вред и… огромную пользу. Вообразим, что исчезло трение. Изумленный наблюдатель увидел бы: как рушатся горы, сами по себе выкорчевываются из земли деревья, ураганные ветры и морские волны бесконечно властвуют над землей. Все тела сползают куда-то вниз, транспорт разваливается на отдельные детали, поскольку болты без трения не выполняют свою роль, невидимый безобразник развязал бы все шнурки и узлы, мебель, не удерживаемая силами трения, сползла в самый низкий угол комнаты.

Попытаемся убежать, спастись от этого хаоса, но без трения не сможем сделать, ни шагу. Ведь именно трение помогает нам при ходьбе отталкиваться от земли. Теперь понятно, почему зимой скользкие дороги посыпают песком….

И в то же время иногда трение наносит значительный вред. Люди научились уменьшать и увеличивать трение, извлекая из него огромную пользу. Например, для перетаскивания тяжелых грузов придумали колеса, заменив трение скольжение - качением, которое, значительно меньше трения скольжения.

Потому, что катящемуся телу не приходится цеплять множество мелких неровностей поверхности, как при скольжении тел. Затем снабдили колёса шинами с глубоким рисунком (протекторами).

А вы заметили, что все шины резиновые и чёрные?

Оказывается, резина хорошо удерживает колеса на дороге, а уголь, добавляемый в резину, придает ей чёрный цвет, нужную жёсткость и прочность. Кроме того, позволяет при авариях на дороге, измерить тормозной путь. Ведь при торможении резина оставляет четкий чёрный след.

При необходимости уменьшить трение, используют смазочные масла и сухую графитовую смазку. Замечательным изобретением явилось создание разного вида шарикоподшипников. Их применяют в самых различных механизмах от велосипеда до новейшего самолёта.

Бывает ли трение в жидкостях

Когда тело в воде неподвижно, то трение о воду не происходит. Но стоит ему начать движение, возникает трение, т. е. вода оказывает сопротивление движению в ней любых тел.

Значит, и берег, создавая трение, «тормозит» воду. А, так как трение воды о берег уменьшает её скорость, то на средину реки заплывать не стоит, ведь там течение гораздо сильнее. Рыбы и морские животные имеют такую форму, чтобы трение их тел о воду было минимальным.

Такую же обтекаемость конструкторы придают и подводным лодкам.

Наше знакомство с другими природными явлениями будет продолжаться. До новых встреч, друзья!

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя

Называется сухим . В противном случае, трение называется «жидким». Характерной отличительной чертой сухого трения является наличие трения покоя.

Опытным путём установлено, что сила трения зависит от силы давления тел друг на друга (силы реакции опоры), от материалов трущихся поверхностей, от скорости относительного движения и не зависит от площади соприкосновения. (Это можно объяснить тем, что никакое тело не является абсолютно ровным. Поэтому истинная площадь соприкосновения гораздо меньше наблюдаемой. Кроме того, увеличивая площадь, мы уменьшаем удельное давление тел друг на друга.) Величина, характеризующая трущиеся поверхности, называется коэффициентом трения , и обозначается чаще всего латинской буквой «k» или греческой буквой «μ». Она зависит от природы и качества обработки трущихся поверхностей. Кроме того, коэффициент трения зависит от скорости. Впрочем, чаще всего эта зависимость выражена слабо, и если большая точность измерений не требуется, то «k» можно считать постоянным.

В первом приближении величина силы трения скольжения может быть рассчитана по формуле:

Где

Коэффициент трения скольжения,

Сила нормальной реакции опоры.

По физике взаимодействия трение принято разделять на:

  • Сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками - очень редко встречающийся на практике случай. Характерная отличительная черта сухого трения - наличие значительной силы трения покоя.
  • Сухое с сухой смазкой (графитовым порошком)
  • Жидкостное, при взаимодействии тел, разделённых слоем жидкости или газа (смазки) различной толщины - как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость;
  • Смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
  • Граничное, когда в области контакта могут содержатся слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и т. д.) - наиболее распространённый случай при трении скольжения.

В связи со сложностью физико-химических процессов, протекающих в зоне фрикционного взаимодействия, процессы трения принципиально не поддаются описанию с помощью методов классической механики.

При механических процессах всегда происходит в большей или меньшей степени преобразование механического движения в другие формы движения материи (чаще всего в тепловую форму движения). В последнем случае взаимодействия между телами носят названия сил трения.

Опыты с движением различных соприкасающихся тел (твёрдых по твёрдым, твёрдых в жидкости или газе, жидких в газе и т. п.) с различным состоянием поверхностей соприкосновения показывают, что силы трения проявляются при относительном перемещении соприкасающихся тел и направлены против вектора относительной скорости тангенциально к поверхности соприкосновения. При этом всегда происходит нагревание взаимодействующих тел.

Силами трения называются тангенциальные взаимодействия между соприкасающимися телами, возникающие при их относительном перемещении. Силы трения возникающие при относительном перемещении различных тел, называются силами внешнего трения.

Силы трения возникают и при относительном перемещении частей одного и того же тела. Трение между слоями одного и того же тела называется внутренним трением.

В реальных движениях всегда возникают силы трения большей или меньшей величины. Поэтому при составлении уравнений движения, строго говоря, мы должны в число действующих на тело сил всегда вводить силу трения F тр.

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.


Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Сила трения скольжения" в других словарях:

    сила трения покоя - limiting friction Сила трения покоя в момент начала скольжения. Шифр IFToMM: 3.5.48 Раздел: ДИНАМИКА МЕХАНИЗМОВ … Теория механизмов и машин

    Величина, характеризующая трение внешнее. В зависимости от вида перемещения одного тела по другому различают Т … Физическая энциклопедия

    Отношение силы трения F к реакции Т, направленной по нормали к поверхности касания, возникающей при приложении нагрузки, прижимающей одно тело к другому: f = F/T. Т. к. характеристика, применяемая при выполнении технических расчётов,… …

    Трение, трения. Любопытно совмещение трех разновидностей номинативных значений в слове трение. Термин механики трение был использован для характеристики общественных отношений. Это произошло в литературном языке последней трети XIX в., не ранее… … История слов

    СИЛА - векторная величина мера механического воздействия на тело со стороны др. тел, а также интенсивности др. физ. процессов и полей. Силы бывают различными: (1) С. Ампёра сила, с которой (см.) действует на проводник с током; направление вектора силы… … Большая политехническая энциклопедия

    Трение процесс взаимодействия твёрдых тел при их относительном движении (смещении) либо при движении твердого тела в жидкой или газообразной среде. По другому называется фрикционным взаимодействием (англ. friction). Изучением процессов трения… … Википедия

    Силы трения скольжения силы, возникающие между соприкасающимися телами при их относительном движении. Если между телами отсутствует жидкая или газообразная прослойка (смазка), то такое трение называется сухим. В противном случае, трение… … Википедия

    внешнее трение скольжения - контактное трение механическое сопротивление движению одного тела по поверхности другого; в очаге деформации возникает при взаимодействии инструмента и обрабатываемого материала. Особенности контактного трения при обработке… … Энциклопедический словарь по металлургии

    Подшипник качения с неподвижным внешним кольцом Подшипник это техническое устройство, являющееся частью опоры, которое поддерживает вал, ось или иную конструкцию, фиксирует положение в пространстве, обеспечивает вращение, качание или линейное… … Википедия

    Опора пли направляющая Механизма или машины (См. Машина), в которой трение происходит при скольжении сопряжённых поверхностей. По направлению восприятия нагрузки различают радиальные и осевые (упорные) П. с. В зависимости от режима смазки … Большая советская энциклопедия

Различают два основных принципиально отличающихся друг от друга вида трения: трение скольжения (трение 1-го рода) и трение качения (трение 2-го рода).

Трение скольжения является характерным для низших кинематических пар, хотя имеет место и в высших парах. Оно представляет собой сложный физико-химический процесс, приводящий в итоге к нагреву элементов пары, ухудшению физических (прочностных) свойств материалов, из которых они выполнены, интенсивному износу, потерям мощности на непроизводительное преодоление сил трения. Самое простое объяснение причин сопротивления движению при трении заключается том, что при относительном движении твёрдых тел (звеньев) микронеровности одного из них встречают микронеровности другого, в результате чего возникает некоторая суммарная сила, направленная навстречу относительному движению. Например, твёрдое тело 2 (рис. 5.1) движется в указанном направлении с относительной скоростью по отношению к твёрдому телу 1. При этом его микронеровности наталкиваются на микронеровности тела 1, что вызывает появление нормальных реакций в точках контакта микронеровностей (эти реакции на
рис. 5.1 изображены диагоналями прямоугольников). Суммарная величина вертикальных составляющих реакций равна сжимающей силе Q , а суммарная величина горизонтальных составляющих является силой трения , направленной против скорости относительного движения. Следует иметь в виду, что силы трения контактирующих тел действуют попарно, т. е. одна из них приложена к одному телу другая – к другому, причём эти силы равны и противоположны, подобно рассмотренным ранее реакциям в кинематических парах.

Трение скольжения подразделяется на несколько видов в зависимости от условий, в которых происходит работа кинематических пар.

Сухое трение , возникающее при абсолютно чистых и сухих поверхностях контакта, лишённых каких-либо следов влаги, окислов, пыли и других субстанций. В этих условиях трущиеся поверхности касаются непосредственно друг друга. Такие условия трения могут быть получены только в лабораторных условиях.

Граничное трение характерно при толщине слоя смазки между трущимися поверхностями менее 0,1 мкм.

Жидкостное трение имеет место, когда трущиеся поверхности полностью разделены слоем смазки и микронеровности совсем не касаются друг друга (рис. 5.2). Сопротивление относительному движению твёрдых тел в этом случае полностью определяется свойствами смазывающей жидкости и существенно зависит от её вязкости. Закономерности этого вида трения заметно отличаются от закономерностей других видов трения.

Полужидкостное трение возникает, когда условия чисто жидкостного трения не соблюдены, и тогда в одних местах контакта твёрдых тел имеется жидкостное трение, в других – граничное. В связи с этим данный вид трения называют смешанным . Этот вид трения чаще всего возникает в машинах.

Полусухое трение бывает, когда одновременно имеется и сухое трение, и граничное. Такой вид трения будет, если очищенные от влаги, окислов, пыли, аэрозолей поверхности оставить на некоторое время на воздухе, а потом ввести в соприкосновение.

З а к о н ы т р е н и я с к о л ь ж е н и я.

1. Сила трения всегда направлена против скорости относительного движения.

2. С достаточной для технических расчётов точностью силу трения можно определить по формуле Кулона – Амонтона . Здесь – коэффициент трения; – нормальная реакция, возникающая в кинематической паре при действии сжимающего усилия.

3. Коэффициент трения зависит от физической природы и состояния трущихся поверхностей, то есть шероховатости, наличия и сорта смазки и др.

4. Коэффициент трения зависит от скорости относительного движения тел
(рис. 5.3), однако с достаточной для практики точностью принимается, что он остаётся постоянным при любой скорости. Многочисленные исследования выявили, что при трогании с места коэффициент трения больше, чем при движении. Этот коэффициент называют статическим коэффициентом трения, или коэффициентом трения покоя . Его обозначают и считают, что , в то же время независимо от скорости движения.

5. Коэффициент трения покоя зависит от времени контакта твёрдых тел в состоянии покоя, что объясняется постепенным взаимопроникновением материалов тел друг в друга. Чем дольше находятся в неподвижном контакте тела, тем глубже проникновение и тем труднее потом сдвинуть их с места.

6. Коэффициент трения зависит от удельного давления. Эта зависимость представлена на
рис. 5.4. Сначала величина коэффициента резко увеличивается, затем по достижении определённого значения остаётся постоянной, а потом при достаточно больших величинах удельного давления снова резко возрастает, вследствие пластических деформаций материалов трущихся поверхностей. Однако в технических расчётах такая зависимость не учитывается, а принимается постоянным то значение , которое не меняется в большом диапазоне изменения удельного давления.

Значения коэффициентов трения для различных материалов и условий работы трущихся поверхностей приводятся в физических и технических справочниках.


Сопротивление, возникающее при стремлении сдвинуть одно тело по поверхности другого, называется трением скольжения . Возникновение трения обусловлено, прежде всего, шероховатостью соприкасающихся тел. Изучение всех факторов, влияющих на трение, представляет собой весьма сложную физико-механическую проблему, рассмотрение которой выходит за рамки курса теоретической механики.

7.1. Законы трения скольжения

В инженерных расчетах обычно исходят из установленных опытным путем закономерностей, называемых законами трения скольжения.
При стремлении сдвинуть одно тело по поверхности другого в плоскости соприкосновения тел возникает сила трения , которая может принимать любые значения отличные от нуля до величины предельной силы трения .
Предельная сила трения численно равна произведению статического коэффициента трения на нормальное давление или нормальную реакцию .
Значение предельной силы трения в достаточно широких пределах не зависит от площади соприкосновения при трении поверхностей.
Следует отметить, что величине сила трения будет равна лишь тогда, когда действующая на тело сдвигающая сила достигнет такого значения, что при малейшем ее увеличении тело начнет двигаться (скользить). Равновесие, имеющее место, когда сила трения равна , будем называть предельным равновесием .

7.2. Реакция шероховатой поверхности. Угол трения. Конус трения

Рассмотрим тело весом , лежащее на горизонтальной шероховатой плоскости. Пусть к телу приложена горизонтальная сила , под действием которой тело находится в покое. В этом случае сила должна уравновешиваться другой силой, равной по величине и направленной в противоположную сторону - силой трения скольжения (рис. 7.1).


Рис. 7.1

Следовательно, полная реакция шероховатой поверхности слагается из двух составляющих: нормальной реакции и перпендикулярной ей силы трения . При увеличении силы трения от нуля до полная реакция шероховатой поверхности изменится от до , а угол от нуля до . Наибольший угол , который полная реакция шероховатой поверхности образует с нормалью, называется углом трения (рис.7.2а).
Если вектор полной реакции шероховатой поверхности поворачивать вокруг нормали, то он опишет поверхность конуса (рис.7.2б), называемого конусом трения . Построив конус трения, можно определить равновесие тела. Для равновесия тела, лежащего на шероховатой поверхности, необходимо и достаточно, чтобы действующая на тело сила проходила внутри конуса трения (или по его образующей через вершину конуса) .


Рис. 7.2

Если к телу, лежащему на шероховатой поверхности, приложить силу , образующую угол α с нормалью (рис. 7.3), то тело сдвинется только в том случае, когда сдвигающее усилие будет больше предельной величины трения .


Рис. 7.3

Поскольку и , то . Условием сдвига является неравенство или , т.к. , то . Следовательно, никакой силой, образующей с нормалью угол , невозможно сдвинуть тело . Это условие объясняет известное в инженерной практике явление заклинивания и самоторможение тел.

7.3. Методические указания по исследованию условий равновесия тел при наличии трения

Исследование равновесия тел с учетом трения сводится к рассмотрению предельных положений равновесия.
1. Выделяем тело (систему тел), равновесие которого следует рассмотреть.
2. Расставляем все активные силы, действующие на твердое тело (систему тел).
3. Изображаем систему координат.
4. Освобождаем тело от связей, заменяя их действие силами реакций. Реакцию шероховатой поверхности представляетм в виде нормальной реакции и силы трения .
5. Составляем уравнения равновесия для выделенного тела (системы тел).
6. Решая полученную систему уравнений, определяем искомые величины.

Пример . Однородная лестница АВ весом Р опирается своим нижним концом на горизонтальный шероховатый пол, а верхним концом - на шероховатую вертикальную стену. Коэффициент трения лестницы о пол и стену одинаков и равен . Определить реакции пола NA и стены NB , а так же наибольший угол α, составляемый между стеной и лестницей в положении равновесия (рис. 7.4).


Рис. 7.4

Решение . Исследование равновесия тел с учетом сил трения сводится к рассмотрению предельных положений равновесия.
Так, при исследовании равновесия лестницы АВ , опирающейся на негладкие пол и стену, следует считать угол наклона α предельным, при его увеличении равновесие лестницы нарушится.
Покажем на схеме действующие на лестницу силы и составим уравнения равновесия сил (рис. 7.4):

где
Из уравнения (1):
Из уравнения (2):

Из уравнения (3):

Ответ : для того, чтобы лестница была в равновесии необходимо, чтобы угол наклона к стене не превышал угол .

7.4. Равновесие твердого тела при наличии трения качения

Если рассматриваемое тело имеет форму катка и под действием приложенных активных сил может катиться по поверхности другого тела, то из-за деформации поверхностей этих тел в месте соприкосновения могут возникнуть силы реакции, препятствующие не только скольжению, но и качению. Примерами таких катков являются различные колеса, как, например, у электровозов, вагонов, автомашин, шарики и ролики в шариковых и роликовых подшипниках и т.п.
Пусть цилиндрический каток находится на горизонтальной плоскости под действием активных сил. Соприкосновение катка с плоскостью из-за деформации фактически происходит не вдоль одной образующей, как в случае абсолютно твердых тел, а по некоторой площадке. Если активные силы приложены симметрично относительно среднего сечения катка, то есть вызывают одинаковые деформации вдоль всей его образующей, то можно изучать только одно среднее сечение катка. Этот случай рассмотрен ниже.
Между катком и плоскостью, на которой он покоится, возникают силы трения, если приложить к оси катка силу (рис. 7.5), стремящуюся его двигать по плоскости.


Рис. 7.5

Рассмотрим случай, когда сила параллельна горизонтальной плоскости. Из опыта известно, что при изменении модуля силы от нуля до некоторого предельного значения каток остается в покое, т.е. силы, действующие на каток, уравновешиваются. Кроме активных сил (веса и силы ), к катку, равновесие которого рассматривается, приложена реакция плоскости. Из условия равновесия трех непараллельных сил следует, что реакция плоскости должна проходить через центр катка О , так как две другие силы приложены к этой точке.
Следовательно, точка приложения реакции С должна быть смещена на некоторое расстояние δ от вертикали, проходящей через центр колеса, иначе реакция не будет иметь горизонтальной составляющей, необходимой для удовлетворения условий равновесия. Разложим реакцию плоскости на две составляющие: нормальную составляющую и касательную реакцию , являющуюся силой трения (рис. 7.6).


Рис. 7.6

В предельном положении равновесия катка к нему будут приложены две взаимно уравновешивающиеся пары: одна пара сил с моментом (где r - радиус катка) и вторая пара сил , удерживающая каток в равновесии.
Момент пары, называемой моментом трения качения , определяется формулой:

Из (1) следует, что для того, чтобы имело место чистое качение (без скольжения), необходимо, чтобы сила трения качения была меньше максимальной силы трения скольжения:

где f - коэффициент трения скольжения.
Таким образом, чистое качение (без скольжения) будет, если .
Трение качения возникает из-за деформации катка и плоскости, вследствие чего соприкосновение между катком и плоскостью происходит по некоторой поверхности, смещенной от нижней точки катка в сторону возможного движения.
Если сила не направлена по горизонтали, то ее следует разложить на две составляющие, направленные по горизонтали и вертикали. Вертикальную составляющую следует сложить с силой , и мы снова приходим к схеме действия сил, изображенных на рис. 7.6.
Установлены следующие приближенные законы для наибольшего момента пары сил, препятствующей качению:
1. Наибольший момент пары сил, препятствующий качению, в довольно широких пределах не зависит от радиуса катка.
1. Предельное значение момента пропорционально нормальному давлению и равной ему нормальной реакции : .
Коэффициент пропорциональности δ называют коэффициентом трения качения при покое или коэффициентом трения второго рода . Коэффициент δ имеет размерность длины.
3. Коэффициент трения качения δ зависит от материала катка, плоскости и физического состояния их поверхностей. Коэффициент трения при качении в первом приближении можно считать не зависящим от угловой скорости качения катка и его скорости скольжения по плоскости. Для случая качения вагонного колеса по стальному рельсу коэффициент трения качения δ=0.5мм.
Законы трения качения, как и законы трения скольжения, справедливы для не очень больших нормальных давлений и не слишком легко деформирующихся материалов катка и плоскости.
Эти законы позволяют не рассматривать деформации катка и плоскости, считая их абсолютно твердыми телами, касающимися в одной точке. В этой точке соприкосновения кроме нормальной реакции и силы трения надо приложить еще и пару сил, препятствующую качению.
Для того, чтобы каток не скользил, необходимо выполнение условия

Для того чтобы каток не катился, должно выполняться условие

«Физика - 10 класс»

Вспомните, что такое трение.
Какими факторами оно обусловлено?
Почему изменяется скорость движения по столу бруска после толчка?

Ещё один вид сил, с которыми имеют дело в механике, - это силы трения. Эти силы действуют вдоль поверхностей тел при их непосредственном соприкосновении.

Силы трения во всех случаях препятствуют относительному движению соприкасающихся тел. При некоторых условиях силы трения делают это движение невозможным. Однако они не только тормозят движение тел. В ряде практически важных случаев движение тела не могло бы возникнуть без действия сил трения.

Трение, возникающее при относительном перемещении соприкасающихся поверхностей твёрдых тел, называется сухим трением .

Различают три вида сухого трения: трение покоя, трение скольжения и трение качения.


Трение покоя.

Попробуйте сдвинуть пальцем лежащую на столе толстую книгу. Вы приложили к ней некоторую силу, направленную вдоль поверхности стола, а книга остаётся в покое. Следовательно, между книгой и поверхностью стола возникает сила, направленная против той силы, с которой вы действуете на книгу, и в точности равная ей по модулю. Это сила трения тp . Вы с большей силой толкаете книгу, но она по-прежнему остаётся на месте. Значит, и сила трения тp настолько же возрастает.

Силу трения, действующую между двумя телами, неподвижными относительно друг друга, называют силой трения покоя .

Если на тело действует сила , параллельная поверхности, на которой оно находится, и тело при этом остаётся неподвижным, то это означает, что на него действует сила трения покоя тp , равная по модулю и направленная в противоположную сторону силе (рис. 3.22). Следовательно, сила трения покоя определяется действующей на него силой:

Если действующая на покоящееся тело сила хотя бы немного превысит максимальную силу трения покоя, то тело начнёт скользить.

Наибольшее значение силы трения, при котором скольжение ещё не наступает, называется максимальной силой трения покоя .

Для определения максимальной силы трения покоя существует весьма простой, но не очень точный количественный закон. Пусть на столе находится брусок с прикреплённым к нему динамометром. Проведём первый опыт. Потянем за кольцо динамометра и определим максимальную силу трения покоя. На брусок действуют сила тяжести m, сила нормальной реакции опоры 1 , сила натяжения 1 , пружины динамометра и максимальная сила трения покоя тр1 (рис. 3.23).

Положим на брусок ещё один такой же брусок. Сила давления брусков на стол увеличится в 2 раза. Согласно третьему закону Ньютона сила нормальной реакции опоры 2 также увеличится в 2 раза. Если мы снова измерим максимальную силу трения покоя, то увидим, что она увеличилась во столько раз, во сколько раз увеличилась сила 2 , т. е. в 2 раза.

Продолжая увеличивать число брусков и измеряя каждый раз максимальную силу трения покоя, мы убедимся в том, что

>максимальное значение модуля силы трения покоя пропорционально модулю силы нормальной реакции опоры.

Если обозначить модуль максимальной силы трения покоя через F тр. mах, то можно записать:

F тр. mах = μN (3.11)

где μ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения. Коэффициент трения характеризует обе трущиеся поверхности и зависит не только от материала этих поверхностей, но и от качества их обработки. Коэффициент трения определяется экспериментально.

Эту зависимость впервые установил французский физик Ш. Кулон.

Если положить брусок на меньшую грань, то F тр. mах не изменится.

Максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения тел.

Сила трения покоя изменяется в пределах от нуля до максимального значения, равного μN. За счёт чего может происходить изменение силы трения?

Дело здесь вот в чём. При действии на тело некоторой силы оно слегка (незаметно для глаза) смещается, и это смещение продолжается до тех пор, пока микроскопические шероховатости поверхностей не расположатся относительно друг друга так, что, зацепляясь одна за другую, они приведут к появлению силы, уравновешивающей силу . При увеличении силы тело опять чуть-чуть сдвинется так, что мельчайшие неровности поверхностей по-иному будут цепляться друг за друга, и сила трения возрастёт.

И лишь при > F тр. mах ни при каком взаимном расположении шероховатостей поверхности сила трения не в состоянии уравновесить силу , и начнётся скольжение.

Зависимость модуля силы трения скольжения от модуля действующей силы показана на рисунке 3.24.

При ходьбе и беге на подошвы ног действует сила трения покоя, если только ноги не скользят. Такая же сила действует на ведущие колёса автомобиля. На ведомые колёса также действует сила трения покоя, но уже тормозящая движение, причём эта сила значительно меньше силы, действующей на ведущие колёса (иначе автомобиль не смог бы тронуться с места).

В давнее время сомневались, что паровоз сможет ехать по гладким рельсам. Думали, что трение, тормозящее ведомые колёса, будет равно силе трения, действующей на ведущие колёса. Предлагали даже делать ведущие колёса зубчатыми и прокладывать для них специальные зубчатые рельсы.


Трение скольжения.


При скольжении сила трения зависит не только от состояния трущихся поверхностей, но и от относительной скорости движения тел, причём эта зависимость от скорости является довольно сложной. Опыт показывает, что часто (хотя и не всегда) в самом начале скольжения, когда относительная скорость ещё мала, сила трения становится несколько меньше максимальной силы трения покоя. Лишь затем, по мере увеличения скорости, она растёт и начинает превосходить F тр. mах.

Вы, вероятно, замечали, что тяжёлый предмет, например ящик, трудно сдвинуть с места, а потом двигать его становится легче. Это как раз и объясняется уменьшением силы трения при появлении скольжения с малой скоростью (см. рис. 3.24).

При не слишком больших относительных скоростях движения сила трения скольжения мало отличается от максимальной силы трения покоя. Поэтому приближённо можно считать её постоянной и равной максимальной силе трения покоя:

F тр ≈ F тр. mах = μN.

Силу трения скольжения можно уменьшить во много раз с помощью смазки - чаще всего тонкого слоя жидкости (обычно того или иного сорта минерального масла) - между трущимися поверхностями.

Ни одна современная машина, например двигатель автомобиля или трактора, не может работать без смазки. Специальная система смазки предусматривается при конструировании всех машин.

Трение между слоями жидкости, прилегающими к твёрдым поверхностям, значительно меньше, чем между сухими поверхностями.


Трение качения.


Сила трения качения существенно меньше силы трения скольжения, поэтому гораздо легче перекатывать тяжёлый предмет, чем двигать его.

Сила трения зависит от относительной скорости движения тел. В этом её главное отличие от сил тяготения и упругости, зависящих только от расстояний.


Силы сопротивления при движении твёрдых тел в жидкостях и газах.


При движении твёрдого тела в жидкости или газе на него действует сила сопротивления среды. Эта сила направлена против скорости тела относительно среды и тормозит движение.

Главная особенность силы сопротивления состоит в том, что она появляется только при наличии относительного движения тела и окружающей среды.
Сила трения покоя в жидкостях и газах полностью отсутствует.

Это приводит к тому что усилием рук можно сдвинуть тяжёлое тело, например плавающую лодку, в то время как сдвинуть с места, скажем, поезд усилием рук просто невозможно.

Модуль силы сопротивления F c зависит от размеров, формы и состояния поверхности тела, свойств среды (жидкости или газа), в которой тело движется, и, наконец, от относительной скорости движения тела и среды.

Примерный характер зависимости модуля силы сопротивления от модуля относительной скорости тела показан на рисунке 3.25. При относительной скорости, равной нулю, сила сопротивления не действует на тело (F c = 0). С увеличением относительной скорости сила сопротивления сначала растёт медленно, а затем всё быстрее и быстрее. При малых скоростях движения силу сопротивления можно считать прямо пропорциональной скорости движения тела относительно среды:

F c = k 1 υ, (3.12)

где k 1 - коэффициент сопротивления, зависящий от формы, размеров, состояния поверхности тела и свойств среды - её вязкости. Вычислить коэффициент k 1 теоретически для тел сколько-нибудь сложной формы не представляется возможным, его определяют опытным путём.

При больших скоростях относительного движения сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости:

F c = k 2 υ 2 , υ, (3.13)

где k 2 - коэффициент сопротивления, отличный от k 1 .

Какую из формул - (3 12) или (3.13) - можно использовать в конкретном случае, определяется опытным путём. Например, для легкового автомобиля первую формулу желательно применять приблизительно при 60-80 км/ч, при больших скоростях следует использовать вторую формулу.