Сила трения

Благодаря силе трения мы не скользим, отталкиваясь от поверхности, когда идем по тропинке.

Иногда силу трения увеличивают, разбрасывая песок на покрытую льдом поверхность ступеней крыльца.

В некоторых случаях силу трения стараются уменьшить, смазывая трущиеся поверхности, например, подшипники на оси колеса.

Трущиеся поверхности нагреваются, поэтому с помощью силы трения можно зажечь огонь.

Виды трения

Пусть одно тело лежит на поверхности другого тела. В этом случае между поверхностями действует сила трения покоя.

Она может быть практически равной нулю, когда поверхности расположены горизонтально. Но иногда трение покоя может быть достаточно большим.

К примеру, если толкнуть в бок тяжелый ящик, лежащий на горизонтальном полу, мы почувствуем сопротивление. Оно возникает благодаря тому, что между поверхностями ящика и пола действует сила трения покоя, которая, по третьему закону Ньютона равна силе, с которой мы толкаем ящик.

Примечание: Пока тело не сдвинулось с места, сила трения покоя \( \overrightarrow{ F_{\text{тр. покоя}}} \) равна силе \( \vec{F} \), которая действует на тело!

\[ \large \boxed{ \left| \overrightarrow{F_{\text{тр. покоя}}} \right| = \left| \vec{F} \right| } \]

Чем больше становится приложенная нами сила, тем больше увеличивается трение покоя. Так будет происходить до тех пор, пока приложенную силу не увеличим настолько, что ящик сдвинется с места.

Как только ящик пришел в движение, сила трения покоя сменится силой трения скольжения.

Примечание: Сила трения скольжения меньше максимальной силы трения покоя.

Нам известно, что катить тележку с грузом по сухому асфальту легче, чем тянуть по асфальту волокуши с этим же грузом. Причина этого — сила трения.

Примечание: В местах соединения колес со ступицами присутствует трение, его называют трением качения, оно гораздо меньше трения скольжения.

Отличие между силами трения можно показать с помощью рисунка 1.

Трение покоя может изменяться от нуля до своего максимального значения \(F_{max}\). Это максимальное значение оказывается даже большим, чем сила трения скольжения.

Поэтому, с места столкнуть тело сложнее, чем подталкивать его, когда оно уже скользит по поверхности.

А сила трения качения будет незначительно отличаться от нуля. Катить всегда легче, чем тащить волоком.

Трение качения меньше трения скольжения. А трение покоя может изменяться от нуля до величины, которая превышает трения скольжения
Рис. 1. Шкала сил трения, трение качения меньше трения скольжения. А трение покоя может изменяться от нуля до величины, которая превышает трение скольжения

Сила трения имеет электромагнитную природу. Даже самая гладкая поверхность под микроскопом содержит бугры и впадины. Когда поверхности соприкасаются, тела взаимодействуют благодаря таким неровностям. Электронные оболочки атомов тел сближаются, образуется трение.

Формула для расчета силы трения

Рассмотрим тело, например, ящик (рис. 2), скользящий по горизонтальной поверхности со скоростью \(\vec{v}\).

Ящик давит на поверхность своим весом, на рисунке он не обозначен. Вертикально вверх направлена сила реакции поверхности, на которую ящик давит.

А сила трения направлена против движения ящика.

Вектор силы трения скольжения всегда направлен противоположно вектору скорости тела
Рис. 2. Сила трения скольжения направлена всегда против движения тела

Силу трения скольжения можно вычислить, используя такое выражение:

\[ \large \boxed{ \left| \vec{F_{\text{тр. сколь}}} \right| = \mu \cdot N }\]

\( F_{\text{тр. сколь}} \left( H \right) \) – сила трения, которая возникает при скольжении одного тела по поверхности другого;

\( \mu \)  – коэффициент трения скольжения, это просто число, у него нет собственных единиц измерения;

\( N \left( H \right) \)  – сила реакции опоры. В каждом конкретном случае реакция опоры рассчитывается из соотношения, полученного при составлении векторных уравнений (ссылка).

Работа силы трения

Когда сила перемещает тело, физики говорят: «Сила совершает работу по перемещению тела».

Сила и перемещение – это векторы. Совершать работу может вектор силы, направленный по отношению к вектору перемещения под любым углом, кроме прямого!

Если же угол между направлением движения тела и силой будет прямым, то такая сила работу совершать не будет!

Сила трения может совершать работу. Но эта сила мешает телу двигаться, она направлена против движения. Поэтому, работу такой силы считаем отрицательной и записываем со знаком минус!

Примечание: Сила трения совершает работу, но эту работу мы записываем со знаком минус!

Работа любой силы — это скалярное произведение вектора силы на вектор перемещения.

В векторном виде выражение для работы можно записать так:

\[ \large \boxed{ A_{\text{тр}} = \left( \vec{F_{\text{тр}}} \cdot \vec{S} \right) }\]

В школе формулу работы обычно записывают в скалярном виде:

\[ \large \boxed{ A_{\text{тр}} = \left| \vec{F_{\text{тр}}} \right| \cdot \left| \vec{S} \right| \cdot cos(\alpha) }\]

\( A_{\text{тр}} \left( \text{Дж} \right) \) – работа (силы трения), это скалярная величина;

\( F_{\text{тр}} \left( H \right) \) – сила трения;

\( S \left( \text{м} \right) \) – перемещение тела;

\( \alpha \) – угол между силой трения и перемещением тела;

Примечание: Трение относится к диссипативным силам. Когда диссипативная сила действует на систему, полная механическая энергия этой системы убывает (диссипирует). Убывающая энергия из механической переходит в другой вид энергии – к примеру, в тепловую энергию.

Ссылка на основную публикацию
Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить
Adblock
detector