«Сила трения - знакомая, но таинственная»
А.А. Первозванский
В данной теме речь будет идти о силе, несколько отличающейся от тех, которые изучались до этого – о силе трения.
Рассмотрим несколько простых примеров. После того, как человек скатывается с горки на санках, санки продолжают ехать по горизонтальной поверхности, но постепенно останавливаются. То же самое происходит и с лыжником: как только он выезжает на горизонтальную поверхность и перестает отталкиваться, его скорость постепенно убывает. Автомобиль, двигатель которого заглушили, может проехать некоторое расстояние, но после этого остановится. Также, если велосипедист прекратит крутить педали, находясь на ровной поверхности, он тоже остановится.
Таких примеров можно привести много. Во всех этих примерах наблюдается изменение скорости. Следовательно, на рассмотренные тела действует какая-то сила. Эта сила называется силой трения. Дело в том, что между соприкасающимися поверхностями возникает взаимодействие, которое препятствует относительному движению этих тел. Такое взаимодействие называют трением. Конечно, как дорожное покрытие, так и само колесо не являются идеально гладкими, а значит, между ними возникает трение. Во всех примерах наблюдалось не просто изменение скорости, а её уменьшение. Кроме того, трение препятствует движению, поэтому, сила трения всегда направлена в сторону, противоположную движению.
Основной причиной возникновения трения являются шероховатости, присутствующие на различных поверхностях. Даже те тела, которые кажутся нам достаточно гладкими на вид, имеют некоторые неровности и царапины на поверхности. Таким образом, когда тело скользит или катится по поверхности другого тела, эти неровности цепляются друг за друга, препятствуя движению. Это приводит к потерям энергии, и, как следствие наблюдается уменьшение скорости движения тел. Если же поверхности тел очень хорошо отполировать, то причиной трения станет взаимное притяжение между молекулами, находящимися на поверхностях разных тел. Если поверхности тел очень гладкие, то расстояние между их молекулами становится сравнимым с размерами самих молекул, и взаимное притяжение между молекулами становится существенным.
Известно, что силу трения можно во много раз уменьшить с помощью смазки. Например, в дождливую погоду во много раз сложнее остановить автомобиль, чем в сухую из-за того, что сцепление шин с дорожным покрытием значительно слабее. На мокром полу поскользнуться гораздо проще, чем на сухом.
Также смазкой объясняется очень малая сила трения между коньками и льдом. Дело в том, что между коньками и льдом образуется тонкий слой воды, который и уменьшает и без того небольшую силу трения (ведь лед является достаточно гладкой поверхностью).
Трение бывает нескольких видов: трение скольжения, трение качения и трение покоя.
Примером трения скольжения может послужить движение лыж по снегу. Если тело не скользит, а катится по поверхности другого тела, то между ними возникает трение качения (например, движение автомобиля по дороге). Трением покоя можно объяснить, например, почему доска, опирающаяся на стену, не сползает на пол.
Например, автомобиль припаркован на холмике. На этот автомобиль действует сила тяжести. Он не катится вниз, потому что его удерживает сила трения покоя. Неровности на шинах автомобиля и на дорожном покрытии сцепляются и препятствуют движению. Если водитель решит поехать, то это уже будет трением качения. Наконец, если водитель по какой-то причине решит так резко затормозить, что колеса автомобиля заблокируются, мы будем наблюдать трение скольжения. Известно, что при экстренном торможении скорость уменьшается значительно быстрее, поэтому, можно предположить, что сила трения скольжения больше, чем сила трения качения при прочих одинаковых условиях.
Рассмотрим другой пример: известно, что тянуть или толкать тележку без колес будет в разы сложнее, чем, если приделать к ней колёсики и катить её. Тем не менее, чем больше нагрузить тележку, тем сложнее будет её тянуть или толкать. Следовательно, чем больше сила, прижимающая тело к поверхности, тем больше возникающая при этом сила трения. В этом можно убедиться на опыте. Рассмотрим, как брусок тянут, прицепив его к динамометру. Показания динамометра увеличиваются по мере того, как брусок нагружают гирьками. А теперь, обратим внимание на важную деталь: для того, чтобы сдвинуть брусок с места, необходимо преодолеть силу трения покоя. Как только это произошло, продолжаем тянуть брусок, но динамометр уже показывает меньшую силу. Поэтому, сила трения покоя больше, чем сила трения скольжения при той же нагрузке. Если перевернуть брусок, так, что площадь соприкосновения со столом уменьшится, и повторить опыт, то показания динамометра будут такими же, как и в предыдущий раз. Это говорит о том, что сила трения не зависит от площади соприкосновения с поверхностью.
Необходимо отметить, что существует ещё один вид трения, который называется вязким трением. Так называется сопротивление в жидкостях и газах. Известно, насколько тяжело двигаться в воде. Это объясняется тем, что сила сопротивления воды многократно превышает силу сопротивления воздуха. Однако и у воздуха есть собственное сопротивление. Если бы его не было, то, например, люди никогда бы не придумали парашют.
Основное отличие вязкого трения от сухого – это то, что не существует вязкого трения покоя. В этом легко убедится на простом опыте. Наполните какую-нибудь чашку или тарелку водой. На воду опустите щепку, травинку или пёрышко и слегка подуйте. Даже самое слабое дуновение заставит пёрышко хоть немного сдвинуться с места. Значит, никакое трение покоя его не удерживает.
Наиболее наглядным примером вязкого трения является сгорание метеоритов в атмосфере Земли.
Ежедневно сотни метеоритов летят в нашу планету, но не достигают её поверхности из-за вязкого трения в атмосфере. В результате того, что метеориты двигаются с большой скоростью, между ними и слоями атмосферы возникает настолько сильное трение, что небольшие метеориты просто сгорают, и лишь крупнейшие из них могут действительно упасть на Землю.
Надо сказать, что силы трения играют довольно большую роль в жизни людей. Если бы не было трения, люди даже не смогли бы ходить, поскольку, когда человек делает шаг, он отталкивается от поверхности земли. То же самое можно сказать и об автомобиле: он бы не смог тронуться с места – колеса просто прокручивались бы на месте. Даже в нашей одежде все нитки держаться вместе только благодаря силе трения покоя. Но, конечно, есть и вредное действие сил трения – например, это износ механических деталей.
Поэтому, когда трение вредно, его стараются уменьшить, а когда оно полезно – наоборот, увеличить. Примером уменьшения силы трения может послужить смазка различных деталей специальным маслом. Но иногда силу трения просто необходимо увеличить: например, когда на улицах гололед, тротуары, да и дороги, посыпают песком, чтобы было менее скользко, то есть, чтобы увеличить силу трения.
Упражнения:
Задача 1. Велосипедист развивает тягу, равную 200 Н. Результирующая сила, действующая на велосипед, направлена в сторону движения велосипеда, а её модуль составляет 150 Н. Найдите силу трения.
Задача 2*. Мячик массой 500 г бросают в вертикальную трубу. Из-за соприкосновения со стенками трубы, на мяч действует сила трения, модуль которой равен 3,9 Н. Какую скорость наберёт мяч через 5 с после начала движения?
Основные выводы:
– Различают три вида трения: трение скольжения, трение качения и трения покоя.
– Существует понятие вязкого трения – это сопротивление жидкостей и газов.
– Сила трения – это сила, возникающая между двумя соприкасающимися телами.
– Сила трения всегда препятствует движению и направлена в сторону, противоположную направлению движения.
– Основной причиной трения являются шероховатости и неровности на поверхностях тел, но иногда причиной трения может быть взаимное притяжение молекул.