Сила трения. Учёт трения в технике

На этом уроке вы:

• узнаете о трении покоя, скольжения, качения;
• научитесь приводить примеры полезного и вредного проявления силы трения.

Ключевые слова: сила трения покоя, скольжения, качения; закон Кулона — Амонтона.

Мы с вами практически не задумываемся над тем, почему мы можем ходить, почему авторучка пишет, почему не выскальзывают предметы из рук, почему трудно удержать рыбу в руке, почему вода точит камень, почему птичка может присесть на ветку.

Не всегда мы можем объяснить, почему нагреваются и изнашиваются движущиеся части различных механизмов, почему мы можем водить компьютерной мышкой по коврику и почему огромные валуны лежат на краях скал и не падают вниз.

Оказывается, во всех этих случаях мы имеем дело с силой трения. Сила трения — это сила, препятствующая движению или возможному движению.

Для того чтобы разобраться, что из себя представляет сила трения, проделаем несколько опытов.

Опыт 1. Поместим на горизонтальную поверхность деревянный брусок. Прикрепим к бруску динамометр и начнем тянуть его с некоторым усилием. Указатель динамометра покажет, что на брусок будет действовать сила $\vec{F}$, которая возрастает с ростом наших усилий. Несмотря на возрастание силы $\vec{F}$, брусок некоторое время остается в покое. Следовательно, можно предположить, что между бруском и столом возникает какая-то сила, направленная противоположно силе, действующей со стороны динамометра. Эта сила называется силой трения покоя (рис. 19.1).

Опыт 2. Теперь будем дальше увеличивать силу $\vec{F}$, действующую на тот же брусок со стороны динамометра. В некоторый момент времени брусок все-таки сдвинется с места и будет продолжать двигаться под действием некоторой постоянной силы $\vec{F}$ равномерно. Равномерность движения бруска означает, что на брусок действует сила, препятствующая его движению. Она равна по модулю силе $\vec{F}$ и направлена противоположно ей (рис. 19.1), так как равномерное движение возможно лишь в том случае, если равнодействующая сила равна нулю.

Рис. 19.1

Эта сила называется силой трения скольжения и обозначают ее буквой $\vec{F}_{тр.}$.

Сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого и направленная против движения тела, называется силой трения скольжения.

Опыт 3. Поместим на горизонтальный стол два деревянных цилиндра и приведем их в движение в одном направлении с одинаковой скоростью, но один заставим скользить, а другой будем катить (рис. 19.2, а, б). Эксперимент покажет, что на цилиндр, который скользит, необходимо действовать большей силой, чем на второй. Это означает, что сила трения качения, действующая на второй цилиндр, гораздо меньше, чем сила трения скольжения, действующая на первый цилиндр.

Рис. 19.2

Проведя эти опыты, мы выяснили, что существуют три вида трения: трение покоя, трение скольжения, трение качения.

Опыт 4. Продолжим наши опыты и попытаемся выяснить, от чего зависит сила трения. Так, если помещать деревянный брусок на стол разными его гранями (рис. 19.3), имеющими разные площади, и каждый раз двигать его равномерно и прямолинейно с помощью динамометра (рис. 19.4), то можно обнаружить, что сила трения остается неизменной, т. е. она не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

Рис. 19.3

Рис. 19.4

Понятно, что, если отшлифовать соприкасающиеся поверхности, сила трения уменьшится. Происходит это из-за того, что уменьшается шероховатость соприкасающихся поверхностей (рис. 19.5).

Рис. 19.5

Сила трения скольжения зависит не только от качества соприкасающихся тел, но и от материала, из которого они изготовлены. Как показывают опыты, возникающая сила трения при движении одного и того же бруска по деревянной поверхности будет больше, чем по стеклянной.

Опыт 5. Если тело прижимать к поверхности с возрастающей силой, то зацепление между шероховатостями соприкасающихся поверхностей увеличится, что приведет к увеличению силы трения. Это легко доказать опытным путем: при увеличении массы бруска показания динамометра увеличатся, а значит, сила трения, действующая на брусок, возрастет. Чем больше сила, прижимающая брусок к поверхности стола, тем больше возникающая при этом сила трения скольжения (рис. 19.4).

Сила, действующая перпендикулярно поверхности соприкосновения тел, называется силой нормального давления. Ее обозначают буквой $\vec{N}$. В тех случаях, когда тело движется по горизонтальной поверхности, как брусок в нашем опыте, значение силы нормального давления $N$ равно весу тела $P$.

Изучением сил сухого трения занимались французские физики Гийом Амонтон (1663—1705) и Шарль Огюстен Кулон (1736—1806). Экспериментально они установили законы сухого трения.

Запомните! Законы сухого трения:

1. Максимальная сила трения покоя равна силе трения скольжения.
2. Сила трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.
3. Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормального давления:

$F_{тр.} = \mu N, \qquad (19.1)$

где $\mu$ — коэффициент пропорциональности, который называют коэффициентом трения скольжения. Коэффициент трения скольжения определяется видом материала соприкасающихся поверхностей, качеством их обработки и т. д. Формула (19.1) называется законом Кулона — Амонтона.

Трение, как и любое физическое явление, может быть и вредным, и полезным. В том случае, когда трение вредно, его стараются уменьшить, например, из-за трения нагреваются и изнашиваются движущиеся части механизмов. Для этого вводят смазку между трущимися поверхностями, применяют магнитную или воздушную подушку, используют шариковые, роликовые подшипники или колеса, заменяя трение скольжения трением качения.

Когда же трение полезно, то его стараются увеличить. Без трения ни люди, ни машины не могли бы двигаться по земле. Вы знаете, что по асфальту легче идти, чем по льду. Поэтому в гололед тротуары и дороги посыпают песком, на обуви или автошинах применяют шипы или подбирают соприкасающиеся материалы с большим коэффициентом трения, например из резины.

Это интересно. В природе существует и жидкое трение, которое возникает между соприкасающимися слоями жидкости и газа. Сила сопротивления, возникающая при движении твердых тел в жидкостях и газах, также является силой жидкого трения. Жидкое трение изучал И. Ньютон. Жидкое трение гораздо меньше сухого трения. Законы жидкого трения, установленные Ньютоном, достаточно сложны, и вы их узнаете при дальнейшем изучении физики.

Вопросы

1. Какая сила называется силой трения?
2. Как возникает сила трения?
3. В чем состоит различие между силой трения покоя и силой трения скольжения?
4. Каковы итоги исследования трения Кулоном и Амонтоном?
5. Когда возникает сила трения качения?
6. От каких факторов зависит коэффициент трения?
7. Приведите примеры вредного и полезного проявления сил трения.
8. Для чего смазывают трущиеся детали, например, солидолом?

Творческая мастерская

Исследуйте. Измерьте силу трения скольжения деревянного бруска с грузами: а) по столу; б) по гладкой бумаге; в) по наждачной бумаге. Для этого перемещайте брусок с грузами равномерно при помощи динамометра. Результаты измерений силы трения скольжения запишите в тетрадь. Ответьте на вопросы:

• Зависит ли сила трения скольжения от вида трущихся поверхностей? От шероховатости трущихся поверхностей?
• Какими способами можно увеличить и уменьшить силу трения скольжения?

Объясните.

1. Для чего смазывают трущиеся детали, например, солидолом?
2. Почему трудно удержать пойманную рыбу в руке?

Анализируйте. Как изменится сила трения, если: а) увеличить площадь соприкосновения двух тел; б) нагревать тела; в) отшлифовать соприкасающиеся поверхности?

Решите.

1. Тележка с грузом движется по горизонтальному столу. Какой вид трения возникает между: а) столом и колесами; б) грузом и поверхностью тележки?
2. При равномерном перемещении ящика по полу к нему была приложена сила 4 Н. Чему равна сила сопротивления движению ящика? Ответ: 4 Н.
3. Почему санки легче тянуть по снегу, чем по земле?
4. Чему равен коэффициент трения бруска массой 800 г о поверхность, если для выведения его из состояния покоя требуется сила 2 Н? Ответ: 0,25.
5. Каков коэффициент трения между копытами ослика и дорогой, если динамометр показывает 200 Н (рис. 19.6), а масса ослика 32 кг? Ответ: 0,625.

Рис. 19.6

6. Какова жесткость пружины динамометра, прикрепленной к деревянному бруску массой 300 г, если при равномерном движении бруска по горизонтальной поверхности пружина растянулась на 2 см? Коэффициент трения бруска о поверхность равен 0,3. Ответ: 45 Н/м.
7. Выполните задание через QR-код.