27.10.2021
Преподаватель: Земляная С.Н.
Группа 1А
Предмет Физика
Урок №24
Тема программы: Динамика
Тема урока: Силы трения. Сила трения покоя. Сила трения скольжения. Сила трения качения.
Ознакомиться с материалом, подготовить вопросы для самопроверки
Конспект
Сила трения покоя, скольжения, качения, вязкое трение, сухое трение. В чем разница?
Из-за чего возникает сила трения? Она возникает в результате движения одно тела по поверхности другого тела.
Причины возникновения силы трения:
1. Все тела имеют шероховатости. Даже у очень хорошо отшлифованных металлов в электронный микроскоп видны неровности. Абсолютно гладкие поверхности бывают только в идеальном мире задач, в которых трением можно пренебречь. Именно упругие и неупругие деформации неровностей при контакте трущихся поверхностей формируют силу трения.
2. Между атомами и молекулами поверхностей тел действуют электромагнитные силы притяжения и отталкивания. Таким образом, сила трения имеет электромагнитную природу.
Существуют следующие виды сухого трения:
Сухое трение возникает в области контакта поверхностей твёрдых тел в отсутствие жидкой или газообразной прослойки. Этот вид трения может возникать даже в состоянии покоя или в результате перекатывания одного тела по другому, поэтому здесь выделяют три вида силы трения.
1. Сила трения покоя.
Этот вид силы трения возникает в ситуации возможного движения тела по поверхности другого тела. Эта сила направлена против направления возможного движения. Сила трения покоя может принимать любые значения в диапазоне от нуля до своего максимального предельного значения, после которого она переходит в силу трения скольжения. То есть сила трения покоя действует пока тело стоит на месте.
Важно:При решении стандартных физических задач принимается, что максимальная сила трения покоя равна силе трения скольжения и рассчитывается по формуле Fтр = μ N, где N – сила реакции опоры;
μ – коэффициент трения.
Коэффициент трения – это безразмерная величина. Он зависит от свойств соприкасающихся поверхностей и не зависит от силы давления (соответственно, и от силы реакции опоры, так как это силы, описываемые третьим законом Ньютона) и от площади соприкасающихся поверхностей.
Обычная ситуация: на кухне имеется холодильник, его нужно переставить на другое место.
Когда никто не пытается двигать холодильник, стоящий на горизонтальном полу, трения между ним и полом нет. Но как только его начинают толкать, коварная сила трения покоя тут же возникает и полностью компенсирует усилие. Причина её возникновения — те самые неровности соприкасающихся поверхностей, которые деформируясь, препятствуют движению холодильника. Поднатужились, увеличили силу, приложенную к холодильнику, но он не поддался и остался на месте. Это означает, что сила трения покоя возрастает вместе с увеличением внешнего воздействия, оставаясь равной по модулю приложенной силе, ведь увеличиваются деформации неровностей.
Пока силы равны, холодильник остаётся на месте.
Сила трения, которая действует между поверхностями покоящихся тел и препятствует возникновению движения, называется силой трения покоя.
2. Сила трения скольжения
Что же делать с холодильником и можно ли победить силу трения покоя? Не будет же она расти до бесконечности? Зовём на помощь друга, и вдвоём уже удаётся передвинуть холодильник. Получается, чтобы тело двигалось, нужно приложить силу, большую, чем самая большая сила трения покоя:
Теперь на движущийся холодильник действует сила трения скольжения. Она возникает при относительном движении контактирующих твёрдых тел.
Итак, сила трения покоя может меняться от нуля до некоторого максимального значения — Fтр. пок. макс И если приложенная сила больше, чем Fтр. пок. макс, то у холодильника появляется шанс сдвинуться с места.
Теперь, после начала движения, можно прекратить наращивать усилие и ещё одного друга можно не звать. Чтобы холодильник продолжал двигаться равномерно, достаточно прикладывать силу, равную силе трения скольжения:
Чтобы понять, как измеряется сила трения, нужно понять, какие факторы влияют на величину силы трения. Почему так трудно двигать холодильник?
Самое очевидное — его масса играет первостепенную роль. Можно вытащить из него все продукты и тем самым уменьшить его массу, и, следовательно, силу давления холодильника на опору (пол). Пустой холодильник сдвинуть с места гораздо легче! Следовательно, чем меньше сила нормального давления тела на поверхность опоры, тем меньше и сила трения. Опора действует на тело с точно такой же силой, что и тело на опору, только направленной в противоположную сторону.
Сила реакции опоры обозначается N. Можно сделать вывод
Второй фактор, влияющий на величину силы трения, — материал и степень обработки соприкасающихся поверхностей. Так, двигать холодильник по бетонному полу гораздо тяжелее, чем по ламинату. Зависимость силы трения от рода и качества обработки материала обеих соприкасающихся поверхностей выражают через коэффициент трения.
Коэффициент трения обозначается буквой μ (греческая буква «мю»). Коэффициент определяется отношением силы трения к силе нормального давления.
Он чаще всего попадает в интервал от нуля до единицы, не имеет размерности и определяется экспериментально.
Можно предположить, что сила трения зависит также от площади соприкасающихся поверхностей. Однако, положив холодильник набок, мы не облегчим себе задачу.
Ещё Леонардо да Винчи экспериментально доказал, что сила трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей при прочих равных условиях.
Сила трения скольжения, возникающая при контакте твёрдого тела с поверхностью другого твёрдого тела прямо пропорциональна силе нормального давления и не зависит от площади контакта.
где μ — коэффициент трения, N — сила нормальной реакции опоры.
Рассмотрим пример в виде задачи
Брусок массой m покоится на плоскости, наклонённой под углом α к горизонту. Коэффициент трения между бруском и плоскостью равен μ. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым они определяются. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.
Cделаем рисунок к задаче:
Схема для тела, которое находится в равновесии на наклонной плоскости
Для решения задачи нам потребуется проецировать на оси нашей системы координат второй закон Ньютона
Как мы только что увидели, сила трения покоя может быть больше силы трения скольжения для одного и того же угла наклона. В большей степени это зависит от угла наклона плоскости и значения коэффициента трения скольжения.
Однако, здесь есть подвох (!). Тело всё таки не двигается, поэтому никакой речи о силе трения скольжения идти не может, согласны?
Для обеспечения покоя бруска сила трения покоя должна возрастать с увеличением угла α. Но мы знаем, что она не может быть больше максимального значения – силы трения скольжения:
3. Сила трения качения
Ещё древние строители заметили, что если тяжёлый предмет водрузить на колёсики, то сдвинуть с места и затем катить его будет гораздо легче, чем тянуть волоком. Вот бы пригодилась эта древняя мудрость, когда мы тянули холодильник! Однако всё равно нужно толкать или тянуть тело, чтобы оно не остановилось. Значит, на него действует сила трения качения. Это сила сопротивления движению при перекатывании одного тела по поверхности другого.
Причина трения качения — деформация катка и опорной поверхности. Сила трения качения может быть в сотни раз меньше силы трения скольжения при той же силе давления на поверхность. Примерами уменьшения силы трения за счёт подмены трения скольжения на трение качения служат такие приспособления, как подшипники, колёсики у чемоданов и сумок, ролики на прокатных станах.
Вязкое трение
Вязкое возникает при движении твёрдого тела в жидкости или газе. Оно препятствует движению лодки, которая скользит по реке, или воздействует на летящий самолёт со стороны воздуха. Интересная особенность вязкого трения в том, что отсутствует трение покоя. Попробуйте сдвинуть пальцем лежащий на земле деревянный брус и проделайте тот же эксперимент, опустив брус на воду. Чтобы сдвинуть брус с места в воде, будет достаточно сколь угодно малой силы. Однако по мере роста скорости силы вязкого трения сильно увеличиваются.