Что такое сила трения в физике — определение, формула, виды

В статье простым и доступным языком раскрывается понятие силы трения, причины её возникновения и роль в жизни людей и животных. Кроме этого, показаны примеры базовых задач и простейшие формулы, необходимые для решения.

Определение силы трения

Каждый раз, когда соприкасающиеся тела или их части движутся относительно друг друга, возникает сила, стремящаяся это движение прекратить или хотя бы уменьшить. Подобное физическое явление называется силой трения, и направление её действия всегда противоположно движению.

Визуальное представление силы трения
Визуальное представление силы трения

ВАЖНО: трение может быть как внешним, так и внутренним. К первому типу относится любое противодействие перемещению двух и более тел, а ко второму – трение внутри одного сплошного объекта, например в газе или жидкости.

В чём измеряется сила трения

В международной системе единиц (СИ) сила трения, как и любая другая, измеряется в ньютонах (Н), которые являются производными единицами и определяются как отношение килограмма (кг) на отношение метра (м) к секунде в квадрате (с2), то есть Н = кг / (м/с2).

Интересный факт: до принятия СИ в 1960 году использовали абсолютную физическую систему единиц, и размерностью силы была дина. Так как 1 дин = 1 г / (см/с2), то дины и ньютоны отличаются на пять порядков, а именно: 1 дин = 10-5 Н.

Как измерить силу трения

Для измерения механической силы обычно используют динамометр – прибор, ключевыми частями которого являются силовой элемент (в основном пружина) и отчётное звено (например, линейка).

Динамометр

Принцип действия примитивного пружинного динамометра прост: сила, действующая на прибор, сжимает или растягивает упругое звено (в зависимости от направления действия), а её величина регистрируется при помощи измерительной части.

Для того чтобы узнать величину силы трения, передающейся на деревянный брусок при его движении по столу, нужно прикрепить к объекту динамометр и потянуть за пружину в горизонтальной плоскости.

ВНИМАНИЕ: перемещать прибор нужно равномерно и с постоянной скоростью.

Сила трения и сила упругости
Сила трения и сила упругости

На исследуемую систему будут действовать две силы, одна из которых препятствует движению бруска (сила трения), а вторая противится деформации пружины (сила упругости).

СПРАВКА: в данном случае сила тяжести не учитывается, так как её направление перпендикулярно рабочей плоскости.

Вследствие того, что перемещение динамометра равномерное, силы уравновешивают друг друга и имеют одинаковое значение, а так как на измерительной шкале регистрируется сила упругости пружины, то указанная величина и есть искомая цифра.

Подобным опытом можно так же доказать, что сила трения зависит от массы бруска. Установив дополнительный груз и осуществив повторное исследование, легко заметить, что значение на линейке увеличилось.

Сила трения с грузом
Сила трения с грузом

Виды силы трения

В трибологии, разделе физики, изучающем взаимодействие контактирующих тел при их относительном движении, трение принято разделять на несколько видов.

Вид тренияОписаниеОтличительная особенность
СухоеЗдесь соприкасающиеся объекты не разделены слоями, например смазкой или подобными материаламиНа практике встречается очень редко
ГраничноеВ области, где предметы контактируют между собой, присутствуют слои различной природы, например окисная плёнкаНаиболее встречающийся вариант при скольжении
Вязкое (жидкостное)Контактирующие тела разделены жидкостью, газом, смазкой или, возможно, порошком графита различной толщиныОбычно присутствует при качении, когда объекты опущены в жидкость
ЭластогидродинамическоеЗдесь существенную роль играет внутреннее трение, присутствующее в смазкеВозникает при увеличении относительной скорости

СПРАВКА: помимо указанных, выделяют ещё один вид трения – смешанное, при котором область контакта тел можно разделить на участки сухого и вязкого трения.

В зависимости от способа перемещения объектов относительно друг друга на них действует:

  • сила трения скольжения;
  • сила трения покоя;
  • сила трения качения.

Сила трения скольжения – определение и формула

Данное явление имеет место при относительном движении соприкасающихся тел, придавая при этом объекту с большей скоростью отрицательное ускорение и уменьшая быстроту его перемещения.

Сила трения скольжения зависит от силы реакции области соприкосновения поверхностей, скорости смещения тел относительно друг друга и материалов контактирующих частей.

ВНИМАНИЕ: площадь соприкосновения не влияет на исследуемую величину.

Сила трения скольжения

Формула силы трения скольжения выражает прямо пропорциональную зависимость трения от нормальной реакции опоры N:

Fтр = — μN,

где μ – коэффициент трения (иногда обозначается как k), зависит от материала и степени обработки поверхности контакта. Значения указанной величины найдены эмпирически, и полученные данные, в зависимости от природы контактирующих тел, сведены в таблицу.

СПРАВКА: знак «минус» в формуле характеризует противонаправленность трения движению.

Внешние приложенные к телу силы не влияют на трение скольжения, что можно наблюдать на графике:

График трения скольжения

Здесь заштрихованная часть соответствует зоне силы трения покоя, величину которой необходимо превысить, чтобы предмет сдвинулся с места при воздействии на него внешних факторов. На графике отмечено, что максимальное значение трения покоя превышает силу трения скольжения, однако обычно их считают одинаковыми.

Сила трения покоя – определение и формула

Данное явление возникает между неподвижными, обязательно соприкасающимися объектами, препятствуя их относительному смещению.

Примерами этой силы может послужить взаимодействие гвоздя и стены, в которую он забит, или концы завязанного шнурка. Благодаря покою (сцеплению), действующему на подошву обуви, люди ходят по дороге без проскальзывания, а машины не буксуют на сухом асфальте.

Для того чтобы сдвинуть друг относительно друга два предмета, нужно преодолеть силу трения покоя, которую находят по формуле:

Fтр = — k0N,

где N – реакция опоры, k0 – коэффициент трения покоя.

В 1779 французским физиком Кулоном была установлена зависимость, согласно которой, чем сильнее прижаты тела, тем сложнее преодолеть их сцепление.

ВАЖНО: материал и обработка соприкасающихся поверхностей также влияют на возможность возникновения относительного движения.

Сила трения качения – определение и формула

Данное явление возникает, когда контактирующие тела перекатывают относительно друг друга или в случае качения одного предмета, называемого катком, по поверхности второго.

Сила трения качения

ВНИМАНИЕ: величина рассматриваемой силы в несколько раз меньше скольжения, поэтому, например, тяжелые предметы проще переставить на поверхность с колёсами и только после этого передвигать.

Обычно для приблизительного расчёта силы трения качения применяют следующую формулу:

Fтр = k∙(N/r),

где k – коэффициент трения качения, r – радиус катка.

СПРАВКА: величина k, в отличие от других коэффициентов в данной теме, имеет размерность длины.

Каковы причины возникновения силы трения (качения и скольжения)

Главная причина возникновения явлений, препятствующих перемещению тел, заключается в неоднородности и шероховатости контактирующих поверхностей. При движении объектов эти дефекты соприкасаются, что и приводит к эффекту торможения.

Помимо этого, причиной трения является существование взаимодействия между молекулами и атомами двух граничащих тел, которое вызывает взаимное притяжение.

Что касается процессов, снижающих скорость качения, то их появление также обуславливается природными деформациями поверхностей. Говоря простым языком, при движении катку требуется постоянно взбираться на небольшие горки, что приводит к замедлению.

Скорость качения

Модуль силы трения, формула

Модуль любой величины – это всегда положительное число, следовательно модуль силы трения равен:

|Fтр | = μN,

где μ – коэффициент трения, N – реакция опоры или области контакта.

СПРАВКА: обычно рассчитывают модуль максимального воздействия, которое и показывает динамометр.

Может ли сила трения быть движущей силой

Несмотря на то что указанное явление обычно препятствует движению, в некоторых случаях силу трения можно считать движущей. Например, при рассмотрении пробуксовывающего колеса транспортного средства его скорость в точке касания к поверхности больше нуля. Поэтому сила трения, согласно своему свойству, будет действовать в направлении, обратном мгновенной скорости, что совпадёт с направлением скорости всего колеса. Следовательно, сила трения может являться движущей силой.

Сила трения колеса

Задачи на силу трения

  1. Для брусков, изображенных на рисунке, найти ускорения, учитывая, что нить, соединяющая их, нерастяжима.
Задача на силу трения
  1. Выяснить, сдвинется ли ящик, если прикладывать к нему указанное воздействие.
Задача на силу трения

Примеры силы трения в природе

Изучаемое явление имеет огромное влияние на жизнедеятельность людей и животных. Благодаря силе трения человек может ходить, удерживать в руках предметы, а звери зацепляться за ветки деревьев. Именно существование сцепления держит огромные валуны на скалах и не позволяет им упасть, а растения тянутся к солнечному свету, скрепляясь с близстоящей опорой.

Кроме этого, и животные, и люди умеют избавляться от негативного воздействия торможения. Например, тела рыб покрыты слизью, чтобы уменьшить эффект трения о воду, а человек, особенно в технике, зачастую применяет различные смазывающие материалы.

comments powered by HyperComments
Adblock
detector