Что является причиной возникновения трения
Сила трения.
Сила трения возникает при непосредственном соприкосновении тел, препятствуя их относительному движению, и всегда направлена вдоль поверхности соприкосновения.
Силы трения имеют электромагнитную природу, как и силы упругости. Трение между поверхностями двух твердых тел называют сухим трением. Трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой называют вязким трением.
Различают трение покоя, трение скольжения и трения качения.
Трение покоя – возникает не только при скольжении одной поверхности по другой, но и при попытках вызвать это скольжение. Трение покоя удерживает от соскальзывания находящиеся на движущейся ленте транспортера грузы, удерживает вбитые в доску гвозди и т. д.
Силой трения покоя называют силу, препятствующую возникновению движения одного тела относительно другого, всегда направленную против силы, приложенной извне параллельно поверхности соприкосновения, стремящейся сдвинуть предмет с места.
Чем больше сила, стремящаяся сдвинуть тело с места, тем больше сила трения покоя. Однако, для любых двух соприкасающихся тел она имеет некоторое максимальное значение (Fтр.п.)max, больше которого она быть не может, и которая не зависит от площади соприкосновения поверхностей:
где μп – коэффициент трения покоя, N – сила реакции опоры.
Максимальная сила трения покоя зависит от материалов тел и от качества обработки соприкасающихся поверхностей.
Трение скольжения. приложим к телу силу, превышающую максимальную силу трения покоя – тело сдвинется с места и начнет двигаться. Трение покоя сменится трением скольжения.
Сила трения скольжения также пропорциональна силе нормального давления и силе реакции опоры:
Трение качения. Если тело не скользит по поверхности другого тела, а, подобно колесу, катится, то трение, возникающее в месте их контакта, называют трением качения. Когда колесо катится по полотну дороги, оно все время вдавливается в него, поэтому перед ним постоянно оказывается бугорок, которых необходимо преодолеть. Этим и обусловлено трение качения. Трение качения тем меньше, чем тверже дорога.
Сила трения качения также пропорциональна силе реакции опоры:
где μкач – коэффициент трения качения.
Сила трения
Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).
Сила трения: величина, направление
С силой трения вы сталкиваетесь буквально каждую секунду. Каждый раз, когда вы взаимодействуете с любой поверхностью — идете по асфальту, сидите на стуле, пьете чай из чашки — на вас действует сила трения.
Трение — это и есть взаимодействие в плоскости соприкосновения двух поверхностей.
Чтобы перевести трение на язык математики, вводится понятие сила трения.
Сила трения — это величина, которая характеризует процесс трения по величине и направлению.
Измеряется сила трения, как и любая сила — в Ньютонах.
Возникает сила трения по двум причинам:
Направлена сила трения всегда против скорости тела. В этом плане все просто, но всегда есть вопрос:
В задачах часто пишут что-то вроде: «Поверхность считать идеально гладкой». Это значит, что сила трения в данной задаче отсутствует. Да, в реальной жизни это невозможно, но во имя красивой математической модели трением часто пренебрегают.
Не переживайте из-за этой несправедливости, а просто решайте задачи без трения, если увидели словосочетание «гладкая поверхность».
Сухое и вязкое трение
Есть очень большая разница между вашим соприкосновением с водой в бассейне во время плавания и соприкосновением между асфальтом и колесами вашего велосипеда.
В случае с плаванием мы имеем дело с вязким трением — явлением сопротивления при движении твердого тела в жидкости или воздухе. Самолет тоже подвергается вязкому трению и вон тот наглый голубь из вашего двора.
А вот сухое трение — это явление сопротивления при соприкосновении двух твердых тел. Например, если школьник ерзает на стуле или злодей из фильма потирает ладоши — это будет сухое трение.
Вязкое трение в школьном курсе физики не рассматривается подробно, а вот сухое — разбирают вдоль и поперек. У сухого трения также есть разновидности, давайте о них поговорим.
Трение покоя
Если вы решите сдвинуть с места грузовик, вряд ли у вас это получится. Не то, чтобы мы в вас не верим — просто это невозможно сделать из-за того, что масса человека во много раз меньше массы грузовика, да еще и сила трения мешает это сделать. Мир жесток, что тут поделать.
В случае, когда сила трения есть, но тело не двигается с места, мы имеем дело с силой трения покоя.
Сила трения покоя равна силе тяги. Например, если вы пытаетесь сдвинуть с места санки, действуя на них с силой тяги 10 Н, то сила трения будет равна 10 Н.
Сила трения покоя
Fтр = Fтяги
Fтр — сила трения скольжения [Н]
Задача
Найти силу трения покоя для тела, на которое действуют сила тяги в 4 Н.
Решение:
Тело покоится, значит
Ответ: сила трения равна 4 Н.
Трение скольжения
А теперь давайте скользить на коньках по льду. Каток достаточно гладкий, но, как мы уже выяснили, сила трения все равно будет присутствовать и вычисляться будет по формуле:
Сила трения скольжения
Fтр = μN
Fтр — сила трения скольжения [Н]
μ — коэффициент трения [-]
N — сила реакции опоры [Н]
Сила трения, которую мы получим по этой формуле будет максимально возможной — то есть больше уже никуда.
Сила реакции опоры — это сила, с которой опора действует на тело. Она численно равна силе нормального давления и противоположна по направлению.
Не совсем. Сила нормального давления направлена всегда перпендикулярно поверхности (нормаль — перпендикуляр к поверхности). Вес не обязательно направлен перпендикулярно поверхности.
В рамках школьного курса вес всегда направлен перпендикулярно поверхности, поэтому силу реакции опоры можно численно приравнивать к весу.
Подробнее про вес тела читайте в нашей статье😇
Также, если тело находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры будет равна силе тяжести: N = mg.
Коэффициент трения — это характеристика поверхности. Он определяется экспериментально, не имеет размерности и показывает, насколько поверхность гладкая — чем больше коэффициент, тем более шероховатая поверхность. Коэффициент трения положителен и чаще всего меньше единицы.
Задача 1
Масса котика, лежащего на столе, составляет 5кг. Коэффициент трения µ=0,2. К коту прилагают внешнюю силу, равную 2,5Н. Какая сила трения при этом возникает?
Решение:
По условию данной задачи невозможно понять, двигается наш котик или нет. Решение о том, приравниваем ли мы к силе тяги силу трения, принять сразу нельзя. В таких случаях нужно все-таки рассчитать по формуле:
Так как котик лежит на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в данном случае равна силе тяжести: N = mg.
Мы получили максимально возможную силу трения. Внешняя сила по условию задачи меньше максимальной. Это значит, что котик находится в покое. Сила трения уравновешивает внешнюю силу. Следовательно, она равняется 2,5Н.
Ответ: возникает сила трения величиной 2,5 Н
Задача 2
Барсук скользит по горизонтальной плоскости. Найти коэффициент трения, если сила трения равна 5 Н, а сила давления тела на плоскость – 20 Н.
Решение:
В данной задаче нам известно, что барсучок скользит. Значит нужно воспользоваться формулой:
Так как барсук находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в данном случае равна силе давления на плоскость: N = Fд.
Выражаем коэффициент трения:
μ = Fтр/Fд = 5/20 = 0,25
Ответ: коэффициент трения равен 0,25
Задача 3
Пудель вашей бабушки массой 5 килограмм скользит по горизонтальной поверхности. Сила трения скольжения равна 20 Н. Найдите силу трения, если пудель сильно похудеет, и его масса уменьшится в два раза, а коэффициент трения останется неизменным.
Решение:
В данной задаче нам известно, что пудель скользит. Значит, нужно воспользоваться формулой:
Так как пудель находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в данном случае равна силе тяжести: N = mg.
Выразим коэффициент трения:
μ = Fтр/mg = 20/5*10 = 0,4
Теперь рассчитаем силу трения для массы, меньшей в два раза:
Ответ: сила трения будет равна 10 Н.
Задача 4
Ученик провел эксперимент по изучению силы трения скольжения, перемещая брусок с грузами равномерно по горизонтальным поверхностям с помощью динамометра.
Результаты экспериментальных измерений массы бруска с грузами m, площади соприкосновения бруска и поверхности S и приложенной силы F представлены в таблице.
Сила трения
Содержание
К примеру, когда велосипедист крутит педали – велосипед едет, а когда не крутит – велосипед начинает тормозить и вскоре, останавливается.
Сани, скатившись с горы, постепенно теряют скорость и вскоре останавливаются.
Мы знаем, что причиной всякого изменения скорости движения (в данном случае уменьшения) является сила. Значит, и в рассмотренных примерах на каждое движущееся тело действовала сила.
Существуют разные, уже изученные нами ранее силы: сила тяжести, сила упругости, вес тела. В приведённых выше примерах фигурировала сила трения.
Итак, разберём это понятие:
Сила трения – это сила, возникающая при взаимодействии двух тел и препятствующая их относительному движению.
Причины возникновения трения
1. Шероховатость поверхностей тел
Гладкие на ощупь тела тоже имеют неровности, бугорки и царапины.
С помощью современных лазерных микроскопов сейчас можно увидеть даже самые незаметные неровности. Например, на рисунке 2 вы можете увидеть изображение поверхность листа стали, прошедшего обработку. Для наших невооруженных глаз такой стальной лист будет казаться идеально гладким, но это не так.
Рисунок 2. Поверхность стального листа под лазерным микроскопом.
Из-за этого, когда одно тело скользит или катится по поверхности другого, эти неровности цепляются друг за друга. Это создает силу, препятствующую движению.
2. Взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел
Другая причина возникновения трения – взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел. Если поверхности тел идеально гладкие, то при соприкосновении молекулы тел находятся очень близко друг к другу. В этом случае заметно проявляется притяжение между молекулами тел (рисунок 3).
Рисунок 3. Взаимное притяжение молекул при соприкосновении двух тел.
Изменение силы трения. Смазка
Силу трения можно уменьшить во много раз, если ввести между трущимися поверхностями смазку, слой которой разъединяет поверхности трущихся тел (рисунок 4). В этом случае соприкасаются не поверхности тел, а слои смазки. Смазка же в большинстве случаев жидкая, а, как известно, трение жидких слоёв меньше, чем твёрдых.
Рисунок 4. Уменьшение силы трения с помощью смазки
Например, на коньках малое трение при скольжении по льду объясняется также действием смазки: смазкой в этом случае является вода, образующаяся между коньками и льдом тонким слоем.
Именно из-за маленького трения жидкости мы подскальзываемся на вымытом полу. В технике благодаря меньшему трению жидкости в качестве смазки широко применяют различные масла.
Виды трения
Если одно тело скользит по поверхности второго, то возникает особое трение – трение скольжения. Оно возникает, к примеру, при движении саней или лыж по снегу.
Если же первое тело не скользит, а катится по поверхности второго, то возникающее при этом трение называют иначе – трением качения.
Оно проявляется при перекатывании бревна или бочки по земле, при движении автомобиля, велосипеда и других транспортных средств на колёсах.
Примеры трения качения
Измерение силы трения
Силу трения можно не только изменить, применяя смазку, как было сказано ранее, но ещё и измерить. Возьмём деревянный брусок, прикрепим к ним динамометр и будем его двигать, держа динамометр горизонтально. Что покажет динамометр?
На брусок в горизонтальном направлении действует 2 силы: сила упругости пружины динамометра, направленная в cторону движения, и сила трения, направленная против движения.
Брусок движется равномерно, значит эти 2 силы компенсируют друг-друга (их равнодействующая равна 0). Следовательно, эти 2 силы равны по модулю, но имеют разные направления.
Таким образом, динамометр показывает силу, равную по модулю силе трения.
Измеряя силу, с которой динамометр действует на тело при равномерном движении, мы измеряем силу трения.
Какие сани легче тащить, с грузом или без? Если мы положим на брусок какой-нибудь груз, и таким же образом измерим силу трения, то увидим, что она больше, чем у бруска без груза.
Чем больше сила, прижимающая тело к поверхности, тем больше возникающая при этом сила трения
Положив брусок на круглые палочки, мы измерим силу трения качения. Она будет меньше силы трения скольжения.
При равных нагрузках сила трения качения всегда меньше силы трения скольжения
Именно поэтому мы повсеместно используем колесо, ведь оно помогает “заменить” силу трения скольжения на намного меньшую силу трения качения.
Условия и причины возникновения силы трения
Физика — наука, изучающая свойства природы и строение веществ. Её особенность в том, что физические законы устанавливаются опытным путём. Одной из наиболее интересных задач науки является изучение причин возникновения силы трения. По-другому такое явление называется фрикционным взаимодействием. Этот процесс играет важную роль не только в технике, но и в жизни на Земле.
Общие сведения
Механика — раздел физики, изучающий три главные силы природы: тяжести, упругости и трения. Последняя может появиться только при непосредственном взаимодействии двух любых физических тел. Зависит она от контактной поверхности и силы прижатия материалов друг к другу.
Например, пусть есть некое твёрдое тело, которое можно поднять и отпустить. Под действием притяжения оно начнёт опускаться, то есть двигаться с ускорением свободного падения. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока предмет не встретит на своём пути какую-либо другую горизонтальную поверхность. Тело остановится. Значит, помимо тяжести появляется ещё и иная сила. Называется она упругостью. Это воздействие всегда перпендикулярно поверхности, с которой тело контактирует. Часто такую величину называют силой нормального давления.
В результате опыта прибор может показать любое число, например, три ньютона, но при этом объект останется неподвижным. Верно будет утверждать, что на тело действует ещё какая-то сила, компенсирующая прикладываемую параллельно границе соприкосновения двух поверхностей. Она должна быть направлена в противоположную сторону и равняться значению силы, приложенной по модулю.
Воздействие, возникающее на границе между телом и опорой, называют силой трения. Её научное определение — это процесс механического взаимодействия соприкасающихся предметов при их относительном смещении в плоскости касания. Различают три вида сил трения в физике:
Кроме того, взаимодействие двух тел разделяют на сухое и жидкое. В первом случае при контакте отсутствуют какие-либо дополнительные слои, например, смазка, окислы. Во втором между поверхностями находится вязкое вещество — газ, жидкость.
Покой и скольжение
Наглядно показать, как действует трение, можно на графике. На нём по горизонтали нужно отложить величину силы F, то есть той, что измеряется динамометром, а по вертикали — уравновешивающее её воздействие Fтр. Пока тело находится в покое, все действующие моменты компенсируют друг друга. Значит, график будет начинаться в точке ноль и проходить через биссектрису прямого угла. Это состояние соответствует первому в физике виду трения покоя. Положение определяется каким-то максимальным значением, после преодоления которого начнётся движение предмета. Здесь справедливо записать неравенство 0 ≤ F тр ≤ F тр(max).
Прежде чем рассматривать процесс дальше, нужно выяснить, от чего же будет зависеть это максимальное значение. Как показывают опыты, значение определяется следующими факторами:
Эксперименты для установления зависимости провели в своё время ученые Амонтон и Кулон. Получив результаты опытов, они сформулировали закон, который гласит, что наибольшее значение трения покоя прямо пропорционально силе нормального давления с учётом коэффициента: Fтр(max) = μ * N.
Это правило получило название «закон Амонтона-Кулона», а μ назвали коэффициентом трения, зависящим от поверхности контактирующих тел. Это безразмерная величина. Получается, что в том случае, когда возникает сила трения покоя, к телу приложено внешнее воздействие параллельно поверхности, разделяющей вещество и опору. Направлена она в сторону, противоположную внешней силе.
Если величину воздействия повысить до уровня, при котором тело начнёт сдвигаться, то её значение перестанет зависеть от скорости. Этот режим называют трением-скольжением. При этом эта сила остаётся постоянной и равняется максимальному значению покоя. На графике эту зависимость можно изобразить как прямую линию, параллельную оси F.
Точку, в которой возникает переход, называют граничным значением равномерного движения. За ней тело начинает ускоряться. При самостоятельном проведении опыта можно обратить внимание, что стрелка динамометра в начальный момент при движении тела покажет большее значение, чем при последующем скольжении предмета по опоре. То есть в граничной точке график будет иметь зубец. Это явление называют застоем. Его значение характеризуется силой сцепления материалов.
Трение качения
Чтобы установить, при каких условиях появляются силы трения, нужно рассмотреть ещё один вид — качение. Для наблюдения за ним можно взять цилиндрические тела и положить на них какой-либо предмет. Затем с помощью динамометра нужно сравнить возникающую силу движения через них и при обычном контакте с поверхностью. Фактически получается, что скольжение в эксперименте заменено качением. Опыт покажет, что в первом случае понадобится приложить силу в несколько раз меньше.
Выяснением природы качения занимался Галилей. Он скатывал шары с наклонной плоскости и видел: если они попадали на песок, то через небольшой промежуток времени останавливались. Но если вместо сыпучего тела был каменный пол, то скорость движения предмета практически не изменялась. Он предположил, что явление зависит от сообщения начального импульса и ровности поверхности.
Пусть имеется тело, стоящее на неровной опоре. Кажется, что если к нему приложить параллельно поверхности силу Q, которую уравновесить можно только другим противоположно направленным воздействием, то тело должно катиться. Но опыт показывает, что это не так. Например, если подойти к грузовику и попытаться его толкнуть, то он, скорее всего, не покатится. Это означает, что теория подходит только для идеального случая.
На самом деле в реальности происходит деформирование поверхности. За счёт этого образовывается цилиндрическая лунка, в которой находится тело. Всей своей тяжестью предмет опирается на одну точку. Тогда для такой ситуации действует система сил, состоящая из пары, которая препятствует движению. То есть возникает не трение, а момент: Mтр = N * δ, где δ — коэффициент, равный половине продавливаемой лунки. Измеряется он в миллиметрах.
Кратко рассказать, в чём же будет заключаться действие качения, можно несколькими словами. На тело, располагающееся на опоре, действуют:
Применение силы
Природное явление трение бывает не только полезным, но и вредным. Здесь всё не так просто. Например, без трения человек не смог бы ходить, его ноги просто бы проскальзывали. Это же можно сказать и про машины. Без трения они не смогут ехать, так как их колёса просто станут крутиться на месте.
Но эффект трения приводит к изнашиванию механизмов. Почему это происходит, ещё в XVII веке догадался французский механик и физик Гийом Амонтон. В своём докладе научному обществу он заявил, что природа трения связана с разрушением трущихся тел. Когда происходит перемещение по другой поверхности, сила возникает по двум причинам:
Когда происходит трение, то есть один предмет тянется по поверхности другого, неровности сглаживаются из-за механического ломания. Поверхности меняют форму. В итоге степень скольжения увеличивается. В этом и заключается природа трения. Понимая это, изобретатели, которые хотят избавиться от такого явления, стремятся уменьшить неровности контактирующих поверхностей, чтобы избежать их износа.
Например, если это электрический двигатель, то при снижении трения уменьшится расход электроэнергии для приведения и поддержания его работы. То же самое можно сказать о двигателях внутреннего сгорания. У них внутри цилиндров движутся поршни. Если поверхности будут шершавыми, механизм начнет изнашиваться.
Существуют приёмы, которые часто применяются на практике. Они действительно позволяют снизить трение. Наилучший из них — использование жидкостной или газовой прослойки. Если тела поместить в такие среды, то в этом случае состояния покоя не будет. А это значит, что нет сцепления. Кроме того, как показывают опыты, величина вязкого трения гораздо меньше сухого, а с ростом скорости увеличивается и сила сопротивления.