Подготавливаем формулы…
Силы трения
Автор курса · Команда Небулс
Почему возникает трение
Соприкасающиеся поверхности имеют микроскопические неровности и взаимодействуют на уровне молекул. При попытке сдвинуть одно тело относительно другого эти связи препятствуют движению. Сила трения — сила взаимодействия соприкасающихся тел, направленная против их относительного движения или попытки такого движения.
Направление трения определяют относительно возможного скольжения, а не обязательно против скорости тела относительно Земли. Ведущее колесо автомобиля толкает дорогу назад, и трение дороги действует на колесо вперёд. Поэтому направление нужно устанавливать по конкретному контакту.
В обоих случаях внешняя сила тянет брусок вправо, сила трения действует влево. При покое её величина подстраивается под внешнюю силу.
Покой и скольжение
Трение покоя — трение между соприкасающимися поверхностями, которое препятствует началу их относительного скольжения. Пока тело не скользит, эта сила подстраивается под внешнее воздействие от нуля до предельного значения. Если ящик остаётся неподвижным и по горизонтали на него действуют только тяга и трение, их модули равны, а направления противоположны. Поэтому трение покоя не обязано сразу принимать наибольшее значение: при слабом воздействии оно тоже невелико.
Трение скольжения — трение, возникающее при скольжении одной поверхности по другой и направленное против этого скольжения. Если брусок тянут динамометром горизонтально и равномерно по прямой, а других горизонтальных сил нет, сила тяги уравновешивает трение, и показание прибора равно его модулю. При разгоне или замедлении равенство нарушается: часть действия силы тяги связана с изменением скорости. После начала скольжения для многих сухих твёрдых поверхностей используют приближённую модель . Коэффициент трения — безразмерная характеристика пары соприкасающихся поверхностей в выбранных условиях.
Обычно немного больше , поэтому сдвинуть предмет труднее, чем поддерживать скольжение. Сила реакции не всегда равна : она зависит от всех сил, направленных перпендикулярно поверхности, и от ускорения в этом направлении.
Качественно эта модель означает, что увеличение прижимающей силы обычно увеличивает трение: нагруженный брусок труднее тянуть по тому же столу. Чтобы проверить это, меняют нагрузку, сохраняя материалы поверхностей и характер движения. При проверке влияния площади контакта один и тот же брусок поворачивают на другую грань, сохраняя массу, материал и состояние поверхностей, а показания сравнивают при равномерном скольжении. В модели сухого трения площадь видимого контакта сама по себе почти не меняет силу, но для мягких, липких или заметно деформирующихся поверхностей такое приближение может не выполняться. Сравнивая опыты, изменяют одно условие за раз; отношение двух измеренных сил показывает, во сколько раз изменилось сопротивление движению.
Наклонная плоскость
На плоскости с углом сила тяжести имеет составляющие вдоль поверхности и перпендикулярно ей. Если других перпендикулярных сил нет, . Тело остаётся в покое, пока выполняется .
Предельный угол покоя определяется условием:
После начала скольжения ускорение вдоль плоскости находят из второго закона Ньютона. При движении вниз ; знак каждой силы следует из выбранного направления оси.
Сопротивление и полезное трение
Трение качения — сопротивление, возникающее при качении тела по поверхности, прежде всего из-за деформации тела и опоры. Например, колесо и поверхность под ним немного сминаются, и восстановление формы не возвращает всю затраченную энергию. При одинаковой нагрузке сопротивление качению обычно существенно меньше трения скольжения, поэтому колёса и ролики облегчают перевозку грузов. При качении без проскальзывания контакт может одновременно передавать силу трения покоя; она помогает колесу разгоняться и отличается от сопротивления качению. Сопротивление воздуха и жидкости зависит от формы, размеров и скорости тела; простая формула к нему не относится. При малых скоростях сопротивление часто приблизительно пропорционально скорости, при больших — квадрату скорости.
Трение не является исключительно потерей: без трения покоя невозможно ходить, разгонять автомобиль или удерживать предмет. При ходьбе ступня стремится сдвинуть землю назад, а трение со стороны земли действует на ступню вперёд и помогает оттолкнуться. Там, где сцепление полезно, его увеличивают подбором материала, рельефом подошвы или устранением скользкой плёнки; например, на лёд насыпают песок. Там, где трение мешает, поверхности смазывают, а скольжение заменяют качением с помощью колёс или подшипников. Трение скольжения вызывает нагрев и износ: оно превращает механическую энергию во внутреннюю, а в динамическом описании входит в векторную сумму сил. Выбор подхода зависит от того, какие величины требуется найти.