Три закона трения скольжения. Сила трения От чего зависит коэффициент сухого трения скольжения

Сила трения (Fтр.) - это сила, возникающая при контакте поверхностей двух тел и препятствующая их относительному перемещению. Она появляется за счёт электромагнитных сил, возникающих атомами и молекулами в месте контакта этих двух объектов.

Чтобы остановить движущийся объект, сила должна действовать в противоположную по отношению к направлению движения сторону. Например, если толкнуть книгу через стол, то она начнёт движение. Сила, с которой вы воздействовали на книгу, будет перемещать её. Книга скользит, затем замедляется и останавливается из-за влияния силы трения.

Особенности сил трения

Трение, о котором говорилось выше, проявляющееся при движении объектов называют внешним или сухим. Но оно может существовать и между частями или слоями одного объекта (жидкого или газообразного), такой вид называют внутренним.
Главной особенностью назовём зависимость трения от скорости относительного движения тел.
Существуют и другие характерные особенности:

• возникновение при контакте двух движущихся тел поверхностями;
• её действие параллельно области соприкосновения;
• направлена противоположно вектору скорости тела;
• зависит от качества поверхностей (гладкие или шероховатые), взаимодействующих объектов;
• форма или размер объекта, движущегося в газе или жидкости, влияют на величину силы трения.

Виды трения

Выделяют несколько видов. Рассмотрим их различия. На книгу, скользящую по столу, действует трение скольжения.

Сила трения скольжения

Где N - сила реакции опоры.

Обратите внимание на некоторые ситуации:

Если человек едет на велосипеде, то трение, возникающее во время контакта колеса с дорогой - трение качения. Такой вид силы значительно меньше по величине силы трения скольжения.

Сила трения качения

Существенно меньшие значения величины такого вида силы используют люди, используя колесо, ролики и шариковые подшипники в различных движущихся частях устройств.

Шарль Огюстен Кулон в своей работе по теории трения предложил вычислять силу трения качения следующим образом:

где λ - коэффициент трения качения, R - радиус ролика или колеса, P - вес тела.
Представьте себе ситуацию, в которой человек пытается передвинуть с места на место диван. Человек воздействует на диван некоторой силой, но не может его сдвинуть. Это происходит потому, что диван не ускоряется. То есть, результат действия на диван внешних сил равен нулю. Следовательно силу человека компенсирует сила, равная по величине, но направленная в противоположную сторону. Это сила трения покоя.

F тр. п. действует в ответ на силы, стремящиеся вызвать движение стационарного объекта. Если на неподвижный объект нет внешнего воздействия, то величина этой силы равна нулю. Если внешнее воздействие появляется (F), то сила трения покоя возрастает до максимума, а затем тело начинает движение. Величина силы трения скольжения практически совпадает с максимумом силы трения покоя.

,
μ - коэффициент трения.
Смазка, чаще всего в виде тонкого слоя жидкости, уменьшает трение.
Жидкости или газы - это особые среды, в которых тоже проявляется данный вид сил. В этих средах трение проявляется только во время перемещения объекта. Нельзя говорить о силе трения покоя в данных средах.

Сила трения в жидкостях и газах

Такой вид силы называют силой сопротивления среды. Она замедляет движение объекта. Более обтекаемая форма объекта влияет на величину силы сопротивления - она значительно уменьшается. Поэтому в судостроении используются обтекаемые формы корпусов кораблей или подводных лодок.
Сила сопротивления среды зависит от:

• геометрических размеров и формы объекта;
• вязкости жидкой или газообразной среды;
• состояния поверхности объекта;
• скорости объекта относительно той среды, в которой он находится.

1. Сила трения скольжения направлена противоположно возможному движению тела.

2. Сила трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

3. Максимальная сила трения пропорциональна нормальному
давлению. Под нормальным давлением понимают полное давле­ние на всю площадь соприкосновения трущихся поверхностей:

4.Коэффициент трения скольжения зависит от материала и
физического состояния трущихся поверхностей.

Многие задачи на равновесие тела на шероховатой поверхно­сти при наличии силы трения, удобно решать геометрически. Для этой цели используют понятие угла и конуса трения.

Пусть твёрдое тело под действием активных сил находится на шероховатой поверхности в пре­дельном состоянии равновесия, т.е. таком состоянии, когда сила трения достигает своего наиболь­шего значения при данном значе­нии нормальной реакции (рис. 8.4). В этом случае полная реакция ше­роховатой поверхности отклоне­на от нормали к общей касательной плоскости трущихся поверхностей на наибольший угол.

Угол φ между полной реакцией шероховатого тела и направлением нормальной реакции называ­ют углом трения. Угол трения φ зависит от коэффициента тре­ния, т.е.

Но, по закону Ш. Кулона,

F=ƒN, следовательно, tgφ=ƒ, т.е. тангенс угла трения равен ко­эффициенту трения скольжения.

Конусом трения называют конус, описанный полной ре­акцией вокруг направления нормальной реакции. Его можно по­лучить, изменяя активные силы так, чтобы тело на шероховатой поверхности находилось в предельных положениях равновесия, стремясь выйти из равновесия по всем возможным направлениям, лежащим в общей касательной плоскости соприкасающихся по­верхностей. Если коэффициент трения во всех направлениях оди­наков, то конус трения круговой.

Если неодинаков, то конус трения не­круговой, например в случае, когда свой­ства соприкасающихся поверхностей различны (вследствие определенного направления волокон или в зависимости от направления обработки поверхности тел, если обработка происходит на стро­гальном станке и т.п.).

Для равновесия тела на ше­роховатой поверхности необхо­димо и достаточно, чтобы линия действия равнодействующей активных сил, действующих на тело, проходила внутри конуса трения или в предельном состоянии по его образую­щей через его вершину (рис. 8.5).

Тело нельзя вывести из равновесия любой по мо­дулю активной силой, если её линия действия про­ходит внутри конуса трения, т.е. α <φ.

Если линия действия равнодействующей активных сил не про­ходит внутри конуса трения или по его образующей, т.е. α> φ (рис. 8.5), то тело на шероховатой поверхности не может нахо­диться в равновесии, Q> F.

Задача 1 . Определить модуль силы, при которой начнется движение блока (рис. 6.7, а). Вес блока Q = 2 кН , высота h = 0,8м, ширина b = 0,6 м . Сила, приложенная в точке В, образует угол 30° с горизонтом. Коэффициент трения между блоком и горизон­тальным полом f = 0,2.

Решение . Движение блока может начаться в двух случаях: а) если начнется скольжение блока по плоскости вправо (рис. 6.7, б ) и б) если блок начнет опрокидываться вокруг ребра (рис. 6.7, в ).

Рассмотрим первый случай . В этом случае точка приложения реакции пола неизвестна. Составим уравнения равновесия - при­равняем суммы проекций всех сил на оси координат (рис. 6.7, б ) нулю

Кроме того, учтем зависимость силы трения от нормального дав­ления

Определим из данной системы уравнений силу . Исключая силы и , находим

Если величина силы станет больше этого значения,то блок нач­нет скользить вправо.

Рассмотрим второй случай. В случае возможного опрокидыва­ния блока вокруг ребра А нормальная реакция и сила трения будут приложены в точке А (рис. 6.7, в ).

Составим три уравнения равновесия и четвертое уравнение-зависимость силы трения от нормального давления:

Для нахождения величины силы достаточно найтиее значение из (6.3):

Если модуль силы станет больше этого значения, то блок начнет опрокидываться около ребра А.

Уравнения (6.1), (6.2), (6.4) смогут быть использованы для опре­деления нормальной реакции и силы трения.

Сопоставляя значения модуля силы в первом и во втором случаях, заключаем, что так как величина силы при скольже­нии меньше ее величины при опрокидывании, то при возрастании модуля силы от нуля до максимума блок начнетсначала скользить, а не опрокидываться.

2 трение качения

Трение качения возникает в результате деформации катящегося тела и опорной поверхности, которые в действительности не являются абсолютно твердыми. Поэтому контакт между телом и поверхностью происходит по некоторой площадке (рис. 6.8, а ). Нормальная реакция смещается относительно центра катка на некоторую величину в сторону движения, которая при выходе тела из равновесия достигает максимума и называется коэффициентом трения качения f k (рис. 6.8, б ).

Коэффициент трения качения имеет размерность длины в отличие от безразмерного коэффи­циента трения скольжения. Обычно нормальную реакцию про­водят через центр катка, добавляя при этом к телу пару сил с мо­ментом (рис. 6.9, в ), который называют моментом трения качения:

Для катка, находящегося в покое, составим три уравнения равновесия (рис. 6.8, в ):

Из последнего выражения получим условие качения колеса без скольжения.

Обычно это условие соблюдается. Поэтому для начала каче­ния катка требуется меньшая сила, чем для его скольжения.

Силой трения () называют силу, возникающую при относительном движении тел. Эмпирически установлено, что сила трения скольжения зависит от силы взаимного давления тел (реакции опоры) (N), материалов поверхностей трущихся тел, скоростей относительного движения.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Физическая величина, которая характеризует трущиеся поверхности, называется коэффициентом трения . Чаще всего коэффициент трения обозначают буквами k или .

В общем случае коэффициент трения зависит от скорости движения тел относительно друг друга. Надо отметить, что зависимость обычно не принимается во внимание и коэффициент трения скольжения считают постоянным. В большинстве случаев силу трения

Коэффициент трения скольжения величина безразмерная. Коэффициент трения зависит от: качества обработки поверхностей, трущихся тел, присутствия на них грязи, скорости движения тел друг относительно друга и т.д. Коэффициент трения определяют эмпирически (опытным путем).

Коэффициент трения, который соответствует максимальной силе трения покоя в большинстве случаев больше, чем коэффициент трения скольжения.

Для большего числа пар материалов величина коэффициента трения не больше единицы и лежит в пределах

На значение коэффициента трения любой пары тел, между которыми рассматривается сила трения, оказывает влияние давление, степень загрязненности, площади поверхности тел и другое, что обычно не учитывается. Поэтому те значения коэффициентов сил трения, которые указаны в справочных таблицах, полностью совпадают с действительностью лишь при условиях, в которых они были получены. Следовательно, значения коэффициентов сил трения нельзя считать неизменной для одной и той де пары трущихся тел. Так, различают коэффициенты терния для сухих поверхностей и поверхностей со смазкой. Например, коэффициент терния скольжения для тела из бронзы и тела из чугуна, если поверхности материалов сухие равен Для этой же пары материалов коэффициент терния скольжения при наличии смазки

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Трения возникает при непосредственном соприкосновении тел, препятствуя их относительному движению, и всегда направлена вдоль поверхности соприкосновения.

Силы трения имеют электромагнитную природу, как и силы упругости. Трение между поверхностями двух твердых тел называют сухим трением. Трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой называют вязким трением.

Различают трение покоя , трение скольжения и трения качения .

Трение покоя - возникает не только при скольжении одной поверхности по другой, но и при попытках вызвать это скольжение. Трение покоя удерживает от соскальзывания находящиеся на движущейся ленте транспортера грузы, удерживает вбитые в доску гвозди и т. д.

Силой трения покоя называют силу, препятствующую возникновению движения одного тела относительно другого, всегда направленную против силы, приложенной извне параллельно поверхности соприкосновения, стремящейся сдвинуть предмет с места.

Чем больше сила, стремящаяся сдвинуть тело с места, тем больше сила трения покоя. Однако, для любых двух соприкасающихся тел она имеет некоторое максимальное значение (F тр.п.) max , больше которого она быть не может, и которая не зависит от площади соприкосновения поверхностей:

(F тр.п.) max = μ п N,

где μ п - коэффициент трения покоя, N - сила реакции опоры.

Максимальная сила трения покоя зависит от материалов тел и от качества обработки соприкасающихся поверхностей.

Трение скольжения . приложим к телу силу, превышающую максимальную силу трения покоя - тело сдвинется с места и начнет двигаться. Трение покоя сменится трением скольжения.

Сила трения скольжения также пропорциональна силе нормального давления и силе реакции опоры:

F тр = μN.

Трение качения . Если тело не скользит по поверхности другого тела, а, подобно колесу, катится, то трение, возникающее в месте их контакта, называют трением качения. Когда колесо катится по полотну дороги, оно все время вдавливается в него, поэтому перед ним постоянно оказывается бугорок, которых необходимо преодолеть. Этим и обусловлено трение качения. Трение качения тем меньше, чем тверже дорога.

Сила трения качения также пропорциональна силе реакции опоры:

F тр.кач = μ кач N,

где μ кач - коэффициент трения качения.

Поскольку μ кач << μ , при одинаковых нагрузках сила трения качения намного меньше силы трения скольжения.

Причинами возникновения силы трения являются шероховатость поверхностей соприкасающихся тел и межмолекулярное притяжение в местах контакта трущихся тел. В первом случае поверхности, кажущиеся гладкими, на самом деле имеют микроскопические неровности, которые при скольжении зацепляются друг за друга и мешают движению. Во втором случае притяжение проявляется даже при хорошо отполированных поверхностях.

На движущееся в жидкости или газе твердое тело действует сила сопротивления среды , направленная против скорости тела относительно среды и тормозящая движение.

Сила сопротивления среды появляется только во время движения тела в этой среде. Здесь нет ничего подобного силе трения покоя. Наоборот, предметы в воде сдвигать намного легче, чем на твердой поверхности.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Из второго уравнения:

Сила трения:

Подставив выражение для силы трения в первое уравнение, получим:

При торможении до полной остановки скорость автобуса падает от значения до нуля, поэтому автобуса:

Приравнивая правые части соотношений для ускорения автобуса при аварийном торможении, получим:

откуда время до полной остановки автобуса:

Ускорение свободного падения м/с

Подставив в формулу численные значения физических величин, вычислим:

ПРИМЕР 2