Сила трения определение. Сила трения покоя. Виды сил сухого трения Какие контактирующие поверхности имеют минимальную силу трения

Сила трения скольжения - сила, возникающая между соприкасающимися телами при их относительном движении.

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. Так как никакое тело не является абсолютно ровным, сила трения не зависит от площади соприкосновения, и 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 {\displaystyle k} или греческой буквой μ {\displaystyle \mu } . 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 {\displaystyle k} можно считать постоянным. В первом приближении величина силы трения скольжения может быть рассчитана по формуле:

F = k N {\displaystyle F=kN}

k {\displaystyle k} - коэффициент трения скольжения,

N {\displaystyle N} - сила нормальной реакции опоры.

Силами трения называются тангенциальные взаимодействия между соприкасающимися телами, возникающие при их относительном перемещении.

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 в большей или меньшей степени происходит преобразование механического движения в другие формы движения материи - чаще всего в тепловую форму движения, и происходит нагревание взаимодействующих тел.

Типы трения скольжения

Если между телами отсутствует жидкая или газообразная прослойка (смазочный материал), то такое трение называется сухим . В противном случае, трение называется «жидким». Характерной отличительной чертой сухого трения является наличие трения покоя.

По физике взаимодействия трение скольжения принято разделять на:

• Сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазочными материалами - 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 (смазочного материала) 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 содержаться слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и т. д.) - наиболее распространённый случай при трении скольжения.

Также можно классифицировать трение по его области. 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.

Измерение

В связи со сложностью физико-химических процессов, протекающих в зоне фрикционного взаимодействия, процессы трения принципиально не поддаются описанию с помощью методов классической механики. Поэтому нет точной формулы для коэффициента трения. Его оценка производится на основе эмпирических данных: так как по первому закону Ньютона тело движется равномерно и прямолинейно, когда внешняя сила уравновешивает возникающую при движении силу трения, то для измерения действующей на тело силы трения достаточно измерить силу, которую необходимо приложить к телу, чтобы оно двигалось без ускорения.

Сухое трение.

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 следующимиосновными 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).

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, называетсясилой 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) называютзаконом 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:

, гдеm -масса тела.

Отсюда в соответствии с формулой (2)

(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. Дляотноситель­ной 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.

Находим силу трения. Формула силы трения

Трение – явление, с которым мы сталкиваемся в обыденной жизни постоянно. Определить, трение вредно или полезно, невозможно. Сделать даже шаг на скользком льду представляется тяжелым занятием, на шероховатой поверхности асфальта прогулка доставляет удовольствие. Детали автомобилей без смазки изнашиваются значительно быстрее.

Изучение трения, знание его основных свойств позволяет человеку использовать его.

Сила трения в физике

Сила, возникающая при движении или попытке движения одного тела по поверхности другого, направленная против направления движения, приложенная к движущимся телам, названа силой трения. Модуль силы трения, формула которой зависит от многих параметров, меняется в зависимости от вида сопротивления.

Отличают следующие виды трения:

Скольжения;

Качения.

Любая попытка сдвинуть с места тяжелый предмет (шкаф, камень) приводит к напряжению сил человека. При этом в движение предмет привести получается не всегда. Мешает этому трение покоя.

Состояние покоя

Расчетная формула силы трения покоя не позволяет определить ее достаточно точно. В силу действия третьего закона Ньютона величина силы сопротивления покоя зависит от приложенного усилия.

При возрастании усилия растет и сила трения.

0 < F тр.покоя < F max

Трение покоя не позволяет вбитым в дерево гвоздям выпадать; пуговицы, пришитые нитками, прочно удерживаются на своем месте. Интересно, что шагать человеку позволяет именно сопротивление покоя. Причем направлено оно по ходу движения человека, что противоречит общему положению вещей.

Явление скольжения

При возрастании внешней силы, движущей тело, до значения наибольшей силы трения покоя оно приходит в движение. Сила трения скольжения рассматривается в процессе скольжения одного тела по поверхности другого. Ее значение зависит от свойств взаимодействующих поверхностей и силы вертикального действия на поверхность.

Расчетная формула силы трения скольжения: F=μР, где μ-коэффициент пропорциональности (трения скольжения), Р – сила вертикального (нормального) давления.

Одна из управляющих движением сил - сила трения скольжения, формула которой записывается с использованием силы реакции опоры. Вследствие выполнения третьего закона Ньютона силы нормального давления и реакции опоры одинаковы по величине и противоположны по направлению: Р = N.

Перед тем как найти силу трения, формула которой приобретает иной вид (F=μ N), определяют силу реакции.

Коэффициент сопротивления при скольжении вводится экспериментально для двух трущихся поверхностей, зависит от качества их обработки и материала.

Таблица. Значение коэффициента сопротивления для различных поверхностей

№ пп	Взаимодействующие поверхности	Значение коэффициента трения скольжения
	Сталь+лед
	Кожа+чугун
	Бронза+железо
	Бронза+чугун
	Сталь+сталь

Наибольшая сила трения покоя, формула которой была записана выше, может быть определена так же, как сила трения скольжения.

Это становится важным при решении задач на определение силы движущего сопротивления. К примеру, книга, которую движут рукой, прижатой сверху, скользит под действием силы сопротивления покоя, возникающей между рукой и книгой. Величина сопротивления зависит от значения силы вертикального давления на книгу.

Явление качения

Переход наших предков от волокуш к колесницам считается революционным. Изобретение колеса – величайшее изобретение человечества. Трение качения, возникающее при движении колеса по поверхности, значительно уступает по величине сопротивлению скольжения.

Возникновение сил трения качения сопряжено с силами нормального давления колеса на поверхность, имеет природу, отличающую его от скольжения. Вследствие незначительной деформации колеса возникают разные по величине силы давления в центре образовавшейся площадки и по ее краям. Эта разница сил и определяет возникновение сопротивления при качении.

Расчетная формула силы трения качения обыкновенно берется аналогично процессу скольжения. Различие видно исключительно в значениях коэффициента сопротивления.

Природа сопротивления

При изменении шероховатости трущихся поверхностей меняется и значение силы трения. При большом увеличении две соприкасающиеся поверхности выглядят как неровности с острыми пиками. При наложении именно выступающими частями тела соприкасаются друг с другом. Общая площадь соприкосновения незначительна. При движении или попытке движения тел «пики» создают сопротивление. Величина силы трения не зависит от площади поверхностей соприкосновения.

Представляется, что две идеально гладкие поверхности должны не испытывать сопротивления абсолютно. На практике сила трения в этом случае максимальна. Объясняется это несоответствие природой возникновения сил. Это электромагнитные силы, действующие между атомами взаимодействующих тел.

Механические процессы, не сопровождающиеся трением в природе, невозможны, ведь возможности «отключить» электрическое взаимодействие заряженных тел нет. Независимость сил сопротивления от взаимного положения тел позволяет назвать их непотенциальными.

Интересно, что сила трения, формула которой меняется в зависимости от скорости движения взаимодействующих тел, пропорциональна квадрату соответствующей скорости. К такой силе относится сила вязкого сопротивления в жидкости.

Движение в жидкости и газе

Перемещение твердого тела в жидкости или газе, жидкости вблизи твердой поверхности сопровождается вязким сопротивлением. Его возникновение связывают с взаимодействием слоев жидкости, увлекаемых твердым телом в процессе движения. Разная скорость слоев – источник вязкого трения. Особенность этого явления – отсутствие жидкого трения покоя. Независимо от величины внешнего воздействия тело приходит в движение, находясь в жидкости.

В зависимости от быстроты перемещения сила сопротивления определяется скоростью движения, формой движущегося тела и вязкостью жидкости. Движение в воде и масле одного и того же тела сопровождается различным по величие сопротивлением.

Для небольших скоростей: F = kv, где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от линейных размеров тела и свойств среды, v – скорость тела.

Температура жидкости также влияет на трение в ней. В морозную погоду автомобиль разогревают для того, чтобы масло нагрелось (его вязкость уменьшается) и способствовало уменьшению разрушения соприкасающихся деталей двигателя.

Увеличение скорости движения

Значительное увеличение скорости тела может вызвать появление турбулентных потоков, при этом сопротивление резко возрастает. Значение имеют: квадрат скорости движения, плотность среды и площадь поверхности тела. Формула силы трения приобретает иной вид:

F = kv2, где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от формы тела и свойств среды, v – скорость тела.

Если телу придать обтекаемую форму, турбулентность можно уменьшить. Форма тела дельфинов и китов – прекрасный пример законов природы, влияющих на скорость животных.

Энергетический подход

Совершить работу по перемещению тела препятствует сопротивление среды. При использовании закона сохранения энергии говорят, что изменение механической энергии равно работе сил трения.

Работа силы рассчитывается по формуле: A = Fscosα, где F – сила, под действием которой тело перемещается на расстояние s, α – угол между направлениями силы и перемещения.

Очевидно, что сила сопротивления противоположна перемещению тела, откуда cosα = -1. Работа силы трения, формула которой имеет вид A тр = - Fs, величина отрицательная. При этом механическая энергия превращается во внутреннюю (деформация, нагревание).

Лабораторная работа № 2 изучение сил трения и определение коэффициентов трения

Цель работы : экспериментально определить коэффициент трения скольжения и трения покоя для различных трущихся поверхностей.

Приборы и принадлежности : установки для измерения коэффициентов трения скольжения в кинематическом и статическом режиме, набор тел разной формы, изготовленных из различных материалов, разновес.

Теоретическое введение виды трения

Трение играет большую роль в природе и технике. Посредством трения осуществляется необратимый переход всех видов энергии в теплоту. Благодаря трению приходит в движение и останавливается транспорт. Трение удерживает корни растений в почве.

В сельскохозяйственной практике на различии значений коэффициента трения у семян различных зерновых культур основано разделение смеси этих семян на составные части. Смесь зерна, например, овса и проса, медленно высыпается из бункера на движущуюся бесконечную ленту, расположенную под углом к горизонту. Угол наклона ленты подбирается так, чтобы зерна овса удерживались на ней силой трения и увлекались вверх, а зерна проса, у которых коэффициент трения с материалом ленты меньше, чем у зерен овса, скользили по ленте вниз. В результате зерна овса и проса ссыпаются с разных сторон «ленточного сепаратора».

В тех случаях, когда трение играет вредную роль, его уменьшают, помещая между трущимися поверхностями вязкую жидкость (смазку). Тем самым внешнее трение твердых тел заменяют значительно меньшим внутренним трением жидкости.

Другой способ уменьшения трения – замена скольжения качением. Коэффициент трения качения в десятки раз меньше коэффициента трения скольжения. Существенно, что сила трения качения обратно пропорциональна радиусу катящегося тела.

Всякое движущееся тело встречает сопротивление своему движению со стороны других тел, с которыми оно соприкасается. Это означает, что на тело действует сила трения, направленная противоположно относительному перемещению данного тела и приложенная по касательной к соприкасающимся поверхностям. Природа этих сил может быть различной, но в результате их действия всегда происходит превращение механической энергии во внутреннюю энергию трущихся тел, т.е. в энергию теплового движения частиц.

Различают внешнее /сухое/ и внутреннее /вязкое/ трение.

Внешним трением называют трение, возникающее в плоскости касания двух соприкасающихся тел при их относительном перемещении. Если соприкасающиеся тела неподвижны друг относительно друга, говорят о трении покоя, если же происходит относительное перемещение этих тел, то в зависимости от характера их относительного движения говорят о трении скольжения или качения /верчения/.

В нутренним трением называется трение между частями одного и того же тела, например между различными слоями жидкости или газа, скорости которых меняются от слоя к слою. В отличие от внешнего трения здесь отсутствует трение покоя. Если тела скользят относительно друг друга и разделены прослойкой вязкой жидкости /смазки/, то трение происходит в слое смазки и уменьшается в десятки раз.

Если слой смазки достаточно толстый, то возникающее трение называют гидродинамическим, а если слой смазки имеет толщину на 0,1мкм меньше, то возникающее трение называют граничным.

Рассмотрим некоторые закономерности внешнего трения. Это трение обусловлено шероховатостью соприкасающихся поверхностей, в случае же очень гладких поверхностей трение обусловлено силами межмолекулярного притяжения.

Внешнее трение делятна два типа в зависимости от характера движения соприкасающихся тел:

1. Статическое трение имеет место между двумя неподвижными телами. Его иначе называют трением покоя.

2. Кинематическое трение существует между движущимися телами. В зависимости от характера движения соприкасающихся тел, кинематическое трение подразделяют на: трение скольжения, трение качения и трение верчения.

Что такое сила трения?

Чем тебе не угодило определение этой величины по учебнику? Это сила, возникающая из-за сцепления и межмолекулярного притяжения соприкасающихся поверхностей. Она обысно направлена против вектора скорости. Бывают: трение покоя, трение скольжения, трение качения и сопротивление среды. Мой оппонент сверху немного лукавит.... Это сила возникает и при покое. Например, портрет висит на стене только за счет трения покоя гвоздей в стене....

Zlata s.

Сила трения покоя.
Сила трения покоя - сила, действующая на тело
- стороны соприкасающегося с ним другого тела
- поверхности соприкосновения тел,
- тела покоятся относительно друг друга.

Сила трения покоя:
- препятствует возникновению движений одного тела по поверхности другого тела;
- равна по модулю и направлена противоположно силе, приложенной к телу параллельно поверхности соприкосновения тел.
подробнее см. в википедии

Павел волков

Сила трения-это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого и направленная против движения тела. Трение всегда препятствует движению, поэтому если нужно найти механическую работу, а силой является сила трения, то работа будет отрицательной.
Есть 3 вида трения: сила трения скольжения, качания и покоя.

Цель : Закрепить полученные знания о трении и о видах трения.

Ход работы:

1. Изучить теоретическую часть
2. Заполнить таблицу 1.
3. Решить задачу по варианту из таблицы 2.
4. Ответить на контрольные вопросы.

Таблица 1

Таблица 2

	Конькобежец проезжает по гладкой горизонтальной поверхности льда по инерции 80 м. Определить силу трения и начальную скорость, если масса конькобежца 60 кг, а коэффициент трения 0,015
	Тело массой 4,9 кг лежит на горизонтальной плоскости. Какую силу надо приложить к телу в горизонтальном направлении, чтобы сообщить ему ускорение 0,5 м/с 2 при коэффициенте трения 0,1?
	На горизонтальном столе лежит деревянный брусок массой 500 г, который приводится в движение грузом массой 300 г, подвешенным на вертикальном конце нити, перекинутой через блок, закрепленный на конце стола. Коэффициент трения при движении бруска равен 0,2. С каким ускорением будет двигаться брусок?

Сила трения - это сила, возникающая между поверхностями соприкасающихся тел. Если между поверхностями отсутствует смазка, то трение называется сухим. Сила сухого трения прямо пропорциональна силе, прижимающей поверхности друг к другу и направлена в сторону, противоположную возможному движению. Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом трения. Прижимающая сила перпендикулярна поверхности. Она называется нормальной реакцией опоры.

Законы трения в жидкостях и газах отличаются от законов сухого трения. Трение в жидкости и газе зависит от скорости движения: при малых скоростях оно пропорциональной квадрату, а при больших - кубу скорости.

Формулы для решения:

Где "k" - коэффициент трения, "N" - нормальная реакция опоры.

Второй закон Ньютона и уравнения движения в векторной форме. F = ma

По третьему закону Ньютона N = - mg

выражение для скорости

Уравнения движения для равноускоренного кинематического движения

; 0 - V = a t где 0 – конечная скорость V – начальная скорость

Алгоритм решения типовой задачи:

1. Кратко записываем условие задачи.

2. Изображаем условие графически в произвольной системе отсчета, указав действующие на тело (точку) силы, в том числе, нормальную реакцию опоры и силу трения, скорость и ускорение тела.

3. Корректируем и обозначаем на рисунке систему отсчета, вводя начало отсчета времени и уточняя оси координат для сил и ускорения. Лучше направить одну из осей вдоль нормальной реакции опоры, а отсчет времени начать в момент нахождения тела (точки) в нуле координат.

4. Записываем в векторной форме второй закон Ньютона и уравнения движения. Уравнения движения и скорости - это зависимости перемещения (пути) и скорости от времени.

5. Записываем в эти же уравнения в скалярной форме: в проекциях на оси координат. Записываем выражение для силы трения.

6. Решаем уравнения в общем виде.

7. Подставляем величины в общее решение, вычисляем.

8. Записываем ответ.

Теоретическая часть
Трением называется сопротивление соприкасающихся тел движению друг относительно друга. Трением сопровождается каждое механическое движение, и это обстоятельство имеет существенное следствие в современном техническом прогрессе.
Сила трения есть сила сопротивления движению соприкасающихся тел друг относительно друга.Трение объясняется двумя причинами: неровностями трущихся поверхностей тел и молекулярным взаимодействием между ними. Если выйти за пределы механики, то следует сказать, что силы трения имеют электромагнитное происхождение, как и силы упругости. Каждая из указанных выше двух причин трения в разных случаях проявляет себя в разной мере. Например, если соприкасающиеся поверхности твердых трущихся тел имеют значительные неровности, то основная слагаемая в возникающей здесь силе трения будет обусловлена именно данным обстоятельством, т.е. неровностью, шероховатостью поверхностей трущихся тел.Тела, перемещающиеся с трением друг относительно друга, должны соприкасаться поверхностями или двигаться одно в среде другого. Движения тел друг относительно друга может и не возникнуть из-за наличия трения, если движущая сила меньше максимальной силы трения покоя. Если соприкасающиеся поверхности твердых трущихся тел отлично отшлифованы и гладки, то основная слагаемая возникающей при этом силы трения будет определяться молекулярным сцеплением между трущимися поверхностями тел.

Рассмотрим более детально процесс возникновения сил трения скольжения и покоя на стыке двух соприкасающихся тел. Если посмотреть на поверхности тел под микроскопом, то будут видны микронеровности, которые мы изобразим в увеличенном виде (рис. 1, а).Рассмотрим взаимодействие соприкасающихся тел на примере одной пары неровностей (гребень и впадина) (рис. 3, б). В случае, когда сила, пытающаяся вызвать движение, отсутствует, характер взаимодействия на обоих склонах микронеровностей аналогичный. При таком характере взаимодействия все горизонтальные составляющие силы взаимодействия уравновешивают друг друга, а все вертикальные про суммируются и составляют силу N (реакция опоры) (рис. 2, а).

Иная картина взаимодействия тел получается, когда на одно из тел начинает действовать сила. В этом случае точки контакта будут преимущественно на левых по рисунку «склонах». Первое тело будет давить на второе. Интенсивность этого давления характеризуется силой R". Второе тело в соответствии с третьим законом Ньютона будет действовать на первое тело. Интенсивность этого действия характеризуется силой R (реакция опоры). Силу R

можно разложить на составляющие: силу N, направленную перпендикулярно поверхности соприкосновения тел, и силу Fсц, направленную против действия силы F (рис. 2, б).

После рассмотрения взаимодействия тел следует обратить внимание на два момента.
1) При взаимодействии двух тел в соответствии с третьим законом Ньютона возникают две силы R и R"; силу R для удобства ее учета при решении задач мы раскладываем на составляющие N и Fсц (Fтр в случае движения).
2) Силы N и F Tp имеют одну и ту же природу (электромагнитное взаимодействие); иначе и быть не могло, так как это составляющие одной и той же силы R.
Весьма важное значение в современной технике для снижения вредного влияния сил трения имеет замена трения скольжения трением качения. Сила трения качения определяется как сила, необходимая для равномерного прямолинейного качения тела по горизонтальной плоскости. Опытом установлено, что сила трения качения вычисляется по формуле:

где F-сила трения качения; к-коэффициент трения качения; Р-сила давления катящегося тела на опору и R-радиус катящегося тела.

Из практики очевидно, из формулы ясно, что чем больше радиус катящегося тела, тем меньшее препятствие оказывают ему неровности поверхности опоры.
Заметим, что коэффициент трения качения, в отличие от коэффициента трения скольжения, именованная величина и выражается в единицах длины - метрах.
Заменяется трение скольжения трением качения, в необходимых и возможных случаях, заменой подшипников скольжения на подшипники качения.

Существует внешнее и внутреннее трение (иначе называемое вязкостью). Внешним называют такой вид трения, при котором в местах соприкосновения твердых тел возникают силы, затрудняющие взаимное перемещение тел и направленные по касательной к их поверхностям.

Внутренним трением (вязкостью) называется вид трения, состоящий в том, что при взаимном перемещении. Слоев жидкости или газа между ними возникают касательные силы, препятствующие такому перемещению.

Внешнее трение подразделяют на трение покоя (статическое трение) и кинематическое трение. Трение покоя возникает между неподвижными твердыми телами, когда какое-либо из них пытаются сдвинуть с места. Кинематическое трение существует между взаимно соприкасающимися движущимися твердыми телами. Кинематическое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения.

В жизни человека силы трения играют важную роль. В одних случаях он их использует, а в других борется с ними. Силы трения имеют электромагнитную природу.
Виды сил трения.
Силы трения имеют электромагнитную природу, т.е. в основе сил трения лежат электрические силы взаимодействия молекул. Они зависят от скорости движения тел относительно друг друга.
Существует 2 вида трения: сухое и жидкое.
1.Жидкое трение – это сила, возникающая при движении твёрдого тела в жидкости или газе или при движении одного слоя жидкости(газа) относительно другого и тормозящая это движение.

В жидкостях и газах сила трения покоя отсутствует.
При малых скоростях движения в жидкости (газе):
Fтр= k1v,
где k1– коэффициент сопротивления, зависящий от формы, размеров тела и от св-в среды. Определяется опытным путём.

При больших скоростях движения:
Fтр= k2v,
где k2– коэффициент сопротивления.
2.Сухое трение – это сила, возникающая при непосредственном соприкосновении тел, и всегда направлена вдоль поверхностей соприкосновения электромагнитных тел именно разрывом молекулярных связей.
Трение покоя.
Рассмотрим взаимодействие бруска с поверхностью стола.Поверхность, соприкасающихся тел не является абсолютно ровной.Наибольшая сила притяжения возникает между атомами веществ, находящимися на минимальном расстоянии друг от друга, то есть на микроскопических выступах. Суммарная сила притяжения атомов, соприкасающихся тел столь значительна, что даже под действием внешней силы, приложенной к бруску параллельно поверхности его соприкосновения со столом, брусок остаётся в покое. Это означает, что на брусок действует сила равная по модулю внешней силе, но противоположно направленная. Эта сила является силой трения покоя.Когда приложенная сила достигает максимального критического значения, достаточного для разрыва связей между выступами, брусок начинает скользить по столу. Максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения поверхности.По третьему закону Ньютона сила нормального давления равна по модулю силе реакции опоры N.
Максимальная сила трения покоя пропорциональна силе нормального давления:

где μ – коэффициент трения покоя.

Коэффициент трения покоя зависит от характера обработки поверхности и от сочетания материалов, из которых состоят соприкасающиеся тела. Качественная обработка гладких поверхностей контакта приводит к увеличению числа притягивающихся атомов и соответственно к увеличению коэффициента трения покоя.

Максимальное значение силы трения покоя пропорционально модулю силы F д давления, производимого телом на опору.
Определить значение коэффициента трения покоя можно следующим образом. Пусть тело (плоский брусок) лежит на наклонной плоскости АВ (рис. 3). На него действуют три силы: сила тяжести F, сила трения покоя Fп и сила реакции опоры N. Нормальная составляющая Fп силы тяжести представляет собой силу давления Fд, производимого телом на опору, т. е.
FН=Fд. Тангенциальная составляющая Fт силы тяжести представляет собой силу, стремящуюся сдвинуть тело вниз по наклонной плоскости.
При малых углах наклона a сила Fт уравновешивается силой трения покоя Fп и тело на наклонной плоскости покоится (сила N реакции опоры по третьему закону Ньютона равна по модулю и противоположна по направлению силе Fд, т. е. уравновешивает ее).
Будем увеличивать угол наклона a до тех пор, пока тело не начнет скользить вниз по наклонной плоскости. В этот момент
Fт=FпmaxИз рис. 3 видно, чтоFт=Fsin = mgsin; Fн=Fcos = mgcos.
получим
fн=sin/cos=tg.
Измерив угол, при котором начинается скольжение тела, можно по формуле вычислить значение коэффициента трения покоя fп.

Рис. 3. Трение покоя.
Трения скольжения

Трение скольжения возникает при относительном перемещении соприкасающихся тел.
Сила трения скольжения всегда направлена в сторону, противоположную относительной скорости соприкасающихся тел.
Когда одно тело начинает скользить по поверхности другого тела, связи между атомами (молекулами) первоначально неподвижных тел разрываются, трение уменьшается. При дальнейшем относительном движении тел постоянно образуются новые связи между атомами. При этом сила трения скольжения остаётся постоянной, несколько меньшей силы трения покоя. Как и максимальная сила трения покоя, сила трения скольжения пропорциональна силе нормального давления и, следовательно, силе реакции опоры:
,где - коэффициент трения скольжения (), зависящий от свойств соприкасающихся поверхностей.

Рис. 3. Трение скольжения

Контрольные вопросы

1. Что такое внешнее и внутреннее трение?
2. Какое трение называют трением покоя?
3. что такое сухое и жидкое трение?
4. Что такое максимальная сила трения покоя?
5. Как определить значение коэффициента трения покоя?

Лекция 4. Трение твердых тел

Трение внешнее , механическое сопротивление, возникающее в плоскости касания двух соприкасающихся тел при их относительном перемещении. Сила сопротивления F тр , направленная противоположно относительно перемещению данного тела, называется силой трения, действующей на это тело. Трение внешнее - диссипативный процесс, сопровождающийся выделением тепла, электризацией тел, их разрушением и т.д.

Различают Трение внешнее скольжения и качения. Трение скольжения - сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения. Трение качения - момент сил, возникающий при качении одного из двух контактирующих тел относительно другого, препятствующий качению.

Характеристика трения скольжения - коэффициент трения скольжения f c - безразмерная величина, равная отношению силы трения к нормальной нагрузке; характеристикой трения качения является коэффициент трения качения f k - величина, имеющая размерность длины, представляет собой отношение момента трения качения к нормальной нагрузке. Внешние условия (нагрузка, скорость, шероховатость, температура, смазка) влияют на величину Трения внешнего не меньше, чем природа трущихся тел, меняя его в несколько раз.

F с = Fтр. /mg (4.1)

f к = Fтр.кач. R/mg (4.2)

Механизм возникновения трения объясняет молекулярно-механическая теория трения, в разработку которой внесли большой вклад российские ученые (Б.В. Дерягин, И.В. Крагельский и др.) и зарубежные (Боуден, Тейбор, Томлинсон и др.). В соответствии с этой теорией трение имеет двойственную молекулярномеханическую природу. Силу трения F тр можно представить как сумму молекулярной (адгезионной) F а и механической (деформационной) F σ составляющих:

F тр = F а + F σ .

Молекулярная составляющая обусловлена сопротивлением разрыву молекулярных либо межатомных связей, которые возникают между контактирующими телами. Механизм этого процесса аналогичен разрушению кристаллической решетки при сдвиге. Рассеяние работы трения в теплоту связано с упругой деформацией кристаллических решеток. Работа внешней силы переходит в потенциальную энергию решеток. После

разрыва связи потенциальная энергия переходит в энергию колебаний атомов (тепло).

Механическая

составляющая вызвана

сопротивлением

упругому и

пластическому

оттеснению выступов

контактирующих тел, внедрившихся при движении в

контроповерхности (см. рис. 4.1).

В зависимости от условий трения, а также от структуры

тел и межатомных взаимодействий, отдельные компоненты

в выражении

вырастать или

уменьшаться.

Различают

граничное,

гидродинамическое

(жидкостное)

смешанное

Рис 4.1. Упругое и пластическое оттеснение

(одновременно имеются элементы сухого, граничного и

материала при скольжении

гидродинамического трения).

В первом случае контактируют несмазываемые поверхности, покрытые окисными пленками и тончайшими слоями молекул газов и воды, адсорбированными из окружающей среды. В этом случае сила трения складывается из адгезионной и когезионной составляющих. Сухое и граничное трения сходны по своей

природе и имеют общие закономерности. Причиной служит то обстоятельство, что при граничном трении мономолекулярные слои смазки прочно связаны с твердой поверхностью, обладают твердообразными свойствами и как бы служат продолжением твердой фазы. Поэтому, как и при сухом трении, фактически имеет место контакт двух твердых поверхностей. Отличие проявляется в разных значениях коэффициента трения.

Во втором случае, помимо перечисленных пленок, присутствуют молекулы смазочных материалов в виде тонкого слоя толщиной в несколько молекул, которые прочно связаны с поверхностью. Характерным в этом случае является снижение как той, так и другой составляющей.

В третьем случае слой жидкой смазки полностью разделяет сопряженные поверхности. Адгезионная составляющая уменьшается до нуля.

Многочисленные исследования показали, что для металлов деформационная составляющая коэффициента трения примерно в 100 раз меньше, чем адгезионная. Поэтому коэффициент трения в первом приближении равен адгезионной составляющей. Несколько иначе дело обстоит для пластмасс и резин. В последнем случае различие снижается более чем на порядок, и, если резина скользит по грубо обработанной поверхности, деформационной составляющей пренебрегать не следует.

										Для измерения силы трения применяют различные трибометры.
										На них изучают трение образцов в виде дисков, контактирующих
										торцами; цилиндров, контактирующих по образующей, и т.д.
										Наиболее простым и часто используемым является трибометр,
										схема которого изображена на рис. 4.2. Образец 1 прикрепляется к
										пружинному динамометру 3 и прижимается к контртелу 2,
										приводимому в движени е.
										Динамометр измеряет силу трения. Прибор позволяет исследовать
										влияние на трение шероховатости поверхностей, материалов пары
										трения, нормальной нагрузки, скорости скольжения, температуры,

смазки и многих других факторов.

Рис. 4.2. Схема трибометра

Определение сил и коэффициентов внешнего трения. При упругих деформациях в зонах касания взаимодействие твердых тел может осуществляться при ненасыщенном и насыщенном контакте.

При упругом ненасыщенном контакте расстояния между отдельными зонами контактирования достаточно велики, так что влиянием зон друг на друга можно пренебречь. Общая сила трения при скольжении абсолютно жесткого тела, обладающего шероховатой поверхностью, относительно более мягкого тела, обладающего абсолютно ровной поверхностью, будет равна

F тр = ∫ F i	dnr ,

где F i – сила трения, возникающая на единичной произвольной микронеровности; n r – число микронеровностей, имеющих одинаковое внедрение.

Для определения силы F i рассмотрим процессы, происходящие в зоне контакта единичной микронеровности (рис. 4.3). Деформационная составляющая силы трения возникает вследствие несовершенной упругости материала деформируемых слоев. Она обусловлена гистерезисными потерями. В соответствии с исследованиями английского ученого Д. Тейбора

деформационная составляющая силы трения равна

	F iдеф =	0,25α
			− μ 2

где E – модуль упругости деформируемого материала; μ - коэффициент Пуассона этого материала; α гист – коэффициент гистерезисных потерь материала в условиях сложного напряженного состояния.

Рис. 4.3. распределение напряжений при упругих деформациях в зоне контакта шара с плоской поверхностью деформируемого тела

Молекулярная составляющая силы трения обусловлена межатомным и межмолекулярным взаимодействием и равна

Тогда общую силу трения, возникающую при скольжении произвольной микронеровности, можно выразить следующим образом

	0,25α			+ (τ 0	+ β Pri )π Rhi
	1 − μ 2

Сила трения F тр вычисляется из выражения (4.4), в котором все i -е параметры определяются через известные величины. Если определить

нормальную нагрузку P в зависимости от сближения, то можно вычислить коэффициент трения в зависимости от сближения f =

F тр /P . Расчеты показывают, что при увеличении сближения между поверхностями твердых тел молекулярная составляющая

коэффициента трения (содержащая фрикционные параметры τ 0 и β ) уменьшается, а деформационная возрастает. Зависимость коэффициента трения от параметра h/R показана на рис. 4.4.

Рис. 4.4.Зависимость коэффициента трения от сближения

Экспериментальные результаты. Поведение материала при трении определяется глубиной распространения пластической деформации внутрь образца. С ростом нормального давления на пятнах факти-ческого контакта развиваются сначала упругие, а затем пластические деформации. Некоторое формоизменение, связанное с ползучестью материала, происходит и после, в условиях действия постоянной нагрузки. Окончательное равновесие устанавливается после того, как площадь фактического контакта оказывается достаточной для обеспе-чения необходимой несущей способности. Таким образом, после приработки поверхности устанавливается стационарный режим трения, при котором износ поверхности находится в равновесии с ростом новых деформированных слоев. На рис. 4.5 и 4.6 приведены зависимости коэффициента трения от давления в установившемся режиме граничной смазки при скольжении образцов из стали 36НХТЮ в закаленном и состаренном состояниях по закаленной стали 45. Аустенитная сталь 36НХТЮ

отличается высокой коррозионной стойкостью,

поэтому при трении оксидные слои не образуются,

обусловливает схватывание уже при незна-

чительном нагружении. Более высокая

способность состаренного сплава

объясняется высоким пределом текучести и

твердостью.

Следует заметить, что при различных

условиях

экспериментальные зависимости

коэффициента трения от нагрузки, скорости и

температуры могут быть возрастающими,

убывающими,

неизменными

экстренумами. Параметры трения - износ и

0.07 0

коэффициент трения зависят от структуры

поверхностного слоя и кинетики его

Рис. 4.5. Зависимость коэффициента трения (k) от давления

деградации, которые, в свою очередь,

для сплава 36НХТЮ закаленного от 9700 С (а) и состаренного

определяются внешними условиями. Поэтому

после закалки при 7500 С в течение 1 часа (б).

и существует

необходимость

изучения

структуры и триботехнических свойств материалов в каждом конкретном случае, применительно к тому или иному узлу трения.

Рис. 4.6. Зависимость коэффициента трения

(k) от давления для сплава 36НХТЮ закаленного от 9700 С (1) и состаренного после закалки при 7500 С в течение 1 часа (2)

Рис.4.7. Зависимость коэффициента трения образца из стали 36НХТЮ (а) и меди (б) от скорости скольжения и нагрузки

На рис. 4.7 показаны поверхности, образованные значениями коэффициента трения меди и сплава 36НХТЮ, в зависимости от скорости скольжения и нагрузки. Коэффициент трения меди изменяется по кривой с максимумом в зависимости от нагрузки при всех скоростях. Для сплава 36НХТЮ коэффициент трения при малых скоростях практически не зависит от прикладываемого усилия. Возрастание нагрузки при больших скоростях приводит к падению коэффициента трения. Это свидетельствует о том, что вклад в силу трения, обусловленный пластическим течением поверхностного слоя, уменьшается. Такое возможно при уменьшении

вязкости материала, связанном с увеличением возбуждения при трении. По-видимому, при этом имеет значение процесс фрагментации поверхностных слоев, который приводит к возрастанию подвижности составляющих структуру элементов.

Рис. 4.8. Зависимость момента силы трения композиционного материал TiC-NiCr (а) от нагрузки в паре с различными сплавами (б - TiC-NiCr; в – 3В16К; г – композиция на основе бронзы КАМ)

Анализ параметров трения (рис. 4.8) показывает, что большую роль в процессе контактирования двух материалов при их относительном скольжении играет тепло, выделяющееся на поверхности и в приповерхностном слое.

Действительно, примером влияния контактной температуры на процесс трения может служить поведение композиционного материала TiC-NiCr при трении в паре с материалами, среди которых были КМ TiC-NiCr, стеллит и композиция “твердый сплав - бронза”, различающиеся теплопроводностью. В данных испытаниях, когда сопряжение было в виде торцевого уплотнения, отвод тепла из зоны трения может осуществляться в основном за счет теплопроводности контактирующих материалов. Поскольку теплопроводность КМ TiCNiCr и стеллита (3В16К) значительно меньше, чем у композиции КАМ, разработанной для высоконагруженных узлов трения, характер трения должен различаться. Действительно, из рис. 4.8,б видно, что трение пары одинаковых КМ TiC-NiCr становиться нестабильным уже после нескольких минут работы при нагрузке 1 т. Повышение нагрузки до 2 т сопровождается скачками момента трения, что свидетельствует

		о заклинивании сопряжения. В паре со стеллитом КМ TiC-
Температура		NiCr также ведет себя нестабильно (рис.4.8,в), а при нагрузке
		2 т испытания были прекращены из-за очень высокого
		момента трения. Иное поведение наблюдается, когда
		контртелом служил материал КАМ. Критическое значение
		момента трения наблюдалось лишь при нагрузке 3 т после
		нескольких минут работы (рис. 4.8,г). По-видимому,
		работоспособность материала сохраняется до тех пор, пока
		температура в зоне трения (рис. 4.9) не достигнет значений,
		при которых происходит схватывание.

Рис. 4.9. Схематическое изображение распределения температуры в поверхностном слое в случае пластической деформации при трении

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд

Описание слайда:

Силы трения между соприкасающимися повехностями твердых тел 10 класс Учитель физики Л.И. Сметанкин

2 слайд

Описание слайда:

Перед тем как показывать презентацию учащимся, внимательно изучите переходы анимаций в каждом слайде. Обратите внимание на использование «мышки» при работе с анимированными слайдами. !

3 слайд

Описание слайда:

Попробуйте сдвинуть пальцем лежащую на столе толстую книгу. Сначала мы остановимся на так называемом сухом трении, т.е. трении между поверхностями соприкасающихся твердых тел. Трение покоя Вы приложили к книге некоторую силу, направленную, скажем, вдоль поверхности стола, а книга остается в покое. Факт этот совершенно привычный, но, если вдуматься, достаточно странный и непонятный. Ведь что это значит? Значит, и сила трения настолько же возрастает. Вы с большей силой толкаете книгу, но она по-прежнему остается на месте. Книга будет оставаться на месте до тех пор, пока действующая на нее сила не достигнет определенного значения. 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.

4 слайд

Описание слайда:

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 остается неподвижным, то это означает, что на него действует сила трения покоя Fтр, равная по модулю и направленная в противоположную сторону силе. Следовательно, сила трения покоя определяется действующей на него силой Иначе говоря, когда ускорение тела равно нулю, сила трения равна по модулю и противоположна по направлению той силе, которая наряду с трением действует на тело параллельно поверхности его соприкосновения с другим телом. Наибольшее значение силы трения, при котором скольжение еще не наступает, называется максимальной силой трения покоя. Если действующая на покоящееся тело сила хотя бы немного превысит максимальную силу трения покоя, то тело начнет скользить. Если параллельно этой поверхности другие силы не действуют, то трение покоя будет равно нулю. Трение покоя

5 слайд

Описание слайда:

Если мы теперь снова измерим максимальную силу трения покоя, то увидим, что она увеличилась во столько раз, во сколько раз увеличилась сила, т.е. в 2 раза. Для определения максимальной силы трения покоя существует весьма простой, но не очень точный количественный закон. Нагрузим брусок гирей того же веса, что и сам брусок. При этом сила, с которой брусок действует на стол перпендикулярно поверхности стола, увеличится в 2 раза. Но сила согласно третьему закону Ньютона равна по модулю и противоположна по направлению силе нормальной реакции опоры, действующей на брусок со стороны стола. Следовательно, и сила увеличится в 2 раза. Трение покоя

6 слайд

Описание слайда:

Нагружая брусок различными гирями 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. Этот закон впервые установил экспериментально французский физик Кулон. Если обозначить модуль максимальной силы трения покоя через Fтр.макс, то можно записать: Fтр.макс = µF2 , где µ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения покоя. Коэффициент трения характеризует обе трущиеся поверхности и зависит не только от материала этих поверхностей, но и от качества их обработки. Коэффициент трения определяется экспериментально. Трение покоя

7 слайд

Описание слайда:

От площади соприкосновения тел максимальная сила трения покоя не зависит. Если положить брусок на меньшую грань, то Fтр.макс не изменится. Сила трения покоя меняется в пределах от нуля до максимального значения, равного µF2. Трение покоя

8 слайд

Описание слайда:

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 За счет чего может происходить изменение силы трения? Дело здесь вот в чем. При действии на тело некоторой силы оно слегка (незаметно для глаза) смещается. При увеличении силы тело опять чуть-чуть сдвинется так, что мельчайшие неровности поверхностей по-иному будут цепляться друг за друга, и сила трения возрастет. И лишь при Fтр.макс ни при каком взаимном расположении шероховатостей поверхности сила трения не в состоянии уравновесить силу, и начнется скольжение. Трение покоя

9 слайд

Описание слайда:

При ходьбе и беге на подошвы ног действует сила трения покоя, если только ноги не скользят. В давнее время, когда не очень хорошо представляли себе способность силы трения покоя принимать различные значения, сомневались, что паровоз сможет ехать по гладким рельсам. Думали, что трение, тормозящее ведомые колеса, будет равно силе трения, действующей на ведущие колеса. Такая же сила действует на ведущие колеса автомобиля (считаем ведущими задние колеса автомобиля). На ведомые колеса также действует сила трения покоя, но уже тормозящая движение, причем эта сила значительно меньше силы, действующей на ведущие колеса (иначе автомобиль не смог бы тронуться с места). Предлагали даже делать ведущие колеса зубчатыми и прокладывать для них специальные зубчатые рельсы. Трение покоя

10 слайд

Описание слайда:

При скольжении сила трения зависит не только от состояния трущихся поверхностей, но и от относительной скорости движения тел, причем эта зависимость от скорости является довольно сложной. Трение скольжения Опыт показывает, что часто (хотя и не всегда) в самом начале скольжения, когда относительная скорость еще мала, сила трения становится несколько меньше максимальной силы трения покоя. Вы, вероятно, замечали, что тяжелый 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. Лишь затем, по мере увеличения скорости, она растет и начинает превосходить Fтр мак. покоя.

11 слайд

Описание слайда:

Зависимость модуля силы трения скольжения от модуля относительной скорости тел показана на рисунке При не слишком больших относительных скоростях движения сила трения скольжения мало отличается от максимальной силы трения покоя. Поэтому приближенно можно считать ее постоянной и равной максимальной силе трения покоя: Fтр ≈ Fтр. макс = µN Важная особенность силы трения скольжения состоит в том, что она всегда направлена противоположно относительной скорости соприкасающихся тел. vтела vтела

12 слайд

Описание слайда:

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. Резюме Сила трения зависит от относительной скорости движения тел. В этом ее главное отличие от сил тяготения и упругости, зависящих только от расстояний. Ни одна современная машина, например двигатель автомобиля или трактора, не может работать без смазки. Специальная система смазки предусматривается при конструировании всех машин. Уменьшение силы трения Трение между слоями жидкости, прилегающими к твердым поверхностям, значительно меньше, чем между сухими поверхностями.

Темы кодификатора ЕГЭ: силы в механике, сила трения, коэффициент трения скольжения.

Сила трения - это сила взаимодействия между соприкасающимися телами, препятствующая перемещению одного тела относительно другого. Сила трения всегда направлена вдоль поверхностей соприкасающихся тел.

В школьной физике рассматриваются два вида трения.

1.Сухое трение . Оно возникает в зоне контакта поверхностей твёрдых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки.
2.Вязкое трение. Оно возникает при движении твёрдого тела в жидкой или газообразной среде или при перемещении одного слоя среды относительно другого.

Сухое и вязкое трение имеют разную природу и отличаются по свойствам. Рассмотрим эти виды трения по отдельности.

Сухое трение.

Сухое трение может возникать даже при отсутствии относительного перемещения тел. Так, тяжёлый диван остаётся неподвижным при слабой попытке сдвинуть его с места: наша сила, приложенная к дивану, компенсируется силой трения, возникающей между диваном и полом. Сила трения, которая действует между поверхностями покоящихся тел и препятствует возникновению движения, называется силой трения покоя.

Почему вообще появляется сила трения покоя? Соприкасающиеся поверхности дивана и пола являются шероховатыми, они усеяны микроскопическими, незаметными глазу бугорками разных форм и размеров. Эти бугорки зацепляются друг за друга и не дают дивану начать движение. Сила трения покоя, таким образом, вызвана силами электромагнитного отталкивания молекул, возникающими при деформациях бугорков.

При плавном увеличении усилия диван всё ещё не поддаётся и стоит на месте - сила трения покоя возрастает вместе с увеличением внешнего воздействия, оставаясь равной по модулю приложенной силе. Это понятно: увеличиваются деформации бугорков и возрастают силы отталкивания их молекул.

Наконец, при определённой величине внешней силы диван сдвигается с места. Сила трения покоя достигает своего максимально возможного значения. Деформации бугорков оказываются столь велики, что бугорки не выдерживают и начинают разрушаться. Возникает скольжение.

Сила трения, которая действует между проскальзывающими поверхностями, называется силой трения скольжения. В процессе скольжения рвутся связи между молекулами в зацепляющихся бугорках поверхностей. При трении покоя таких разрывов нет.

Объяснение сухого трения в терминах бугорков является максимально простым и наглядным. Реальные механизмы трения куда сложнее, и их рассмотрение выходит за рамки элементарной физики.

Сила трения скольжения, приложенная к телу со стороны шероховатой поверхности, направлена противоположно скорости движения тела относительно этой поверхности. При изменении направления скорости меняется и направление силы трения. Зависимость силы трения от скорости - главное отличие силы трения от сил упругости и тяготения (величина которых зависит только от взаимного расположения тел, т. е. от их координат).

В простейшей модели сухого трения выполняются следующие законы. Они являются обобщением опытных фактов и носят приближённый характер.

1. Максимальная величина силы трения покоя равна силе трения скольжения.
2. Абсолютная величина силы трения скольжения прямо пропорциональна силе реакции опоры:

Коэффициент пропорциональности - называется коэффициентом трения.

3. Коэффициент трения не зависит от скорости движения тела по шероховатой поверхности.
4. Коэффициент трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

Этих законов достаточно для решения задач.

Задача. На горизонтальной шероховатой поверхности лежит брусок массой кг. Коэффициент трения . К бруску приложена горизонтальная сила . Найти силу трения в двух случаях: 1) при 2) при .

Решение.Сделаем рисунок, расставим силы. Силу трения обозначаем (рис. 1 ).

Рис. 1. К задаче

Запишем второй закон Ньютона:

(1)

Вдоль оси брусок не совершает движения, . Проектируя равенство (1) на ось , получим: , откуда .

Максимальная величина силы трения покоя (она же сила трения скольжения) равна

1) Сила меньше максимальной силы трения покоя. Брусок остаётся на месте, и сила трения будет силой трения покоя:
2) Сила больше максимальной силы трения покоя. Брусок начнёт скользить, и сила трения будет силой трения скольжения: .

Вязкое трение.

Сила сопротивления, возникающая при движении тела в вязкой среде (жидкости или газе), обладает совершенно иными свойствами.

Во-первых, отсутствует сила трения покоя. Например, человек может сдвинуть с места плавающий многотонный корабль, просто потянув за канат.

Во-вторых, сила сопротивления зависит от формы движущегося тела. Корпус подводной лодки, самолёта или ракеты имеет обтекаемую сигарообразную форму - для уменьшения силы сопротивления. Наоборот, при движении полусферического тела вогнутой стороной вперёд сила сопротивления очень велика (пример - парашют).

В третьих, абсолютная величина силы сопротивления существенно зависит от скорости. При малых скоростях движения сила сопротивления прямо пропорциональна скорости:

При больших скоростях сила сопротивления прямо пропорциональна квадрату скорости:

Например, при падении в воздухе зависимость силы сопротивления от квадрата скорости имеет место уже при скоростях около нескольких метров в секунду. Коэффициенты и зависят от формы и размеров тела, от физических свойств поверхности тела и вязкой среды.

Так, парашютист при затяжном прыжке не набирает скорость безгранично, а с определённого момента начинает падать с установившейся скоростью, при которой сила сопротивления становится равна силе тяжести:

Отсюда установившаяся скорость:

(2)

Задача. Два металлических шарика, одинаковых по размеру и различных по массе, падают без начальной скорости с одной и той же большой высоты. Какой из шариков быстрее упадёт на землю - лёгкий или тяжёлый?
Решение. Из формулы (2) следует, что у тяжёлого шарика установившаяся скорость падения больше. Значит, он дольше будет набирать скорость и потому быстрее достигнет земли.