Почему звучит скрипичная струна, когда по ней ведут смычком? Ведь смычок движется равномерно, а колебания струны периодические. А как разгоняется автомобиль и какая сила замедляет его при торможении? Почему автомобиль «заносит» на скользкой дороге? Ответы на все эти и многие другие важные вопросы, связанные с движением тел, дают законы трения.
В XVIII в. французский физик Кулон открыл закон, согласно которому сила трения между твердыми телами не зависит от площади соприкосновения, а пропорциональна силе N, сдавливающей тела:
Коэффициент трения k зависит только от свойств трущихся поверхностей и обычно лежит в пределах от 0,5 до 0,15. Хотя с тех пор было выдвинуто немало гипотез, объясняющих этот закон, до сих пор полной теории сил трения не существует. Трение определяется свойствами поверхности твердых тел, а они очень сложны и до конца еще не исследованы.
Поверхность твердого тела обычно обладает неровностями. Например, даже у очень хорошо отшлифованных металлов в электронный микроскоп видны «горы» и «впадины» размером в 100-1000 А. При сжатии тел соприкосновение происходит только в самых высоких местах и площадь реального контакта значительно меньше общей площади соприкасающихся поверхностей. Давление в местах соприкосновения может быть очень большим, и там возникает пластическая деформация. При этом площадь контакта увеличивается, а давление падает. Так продолжается до тех пор, пока давление не достигнет определенного значения , при котором деформация прекращается.
Поэтому площадь фактического контакта S оказывается пропорциональной сжимающей силе: .
В месте контакта действуют силы молекулярного сцепления (известно, например, что очень чистые и гладкие металлические поверхности прилипают друг к другу). Таким образом, сила трения оказывается пропорциональной величине N, и коэффициент пропорциональности зависит от свойств поверхностей.
Эта модель сил сухого трения (так называют трение между твердыми телами), по-видимому, близка к реальной ситуации в металлах. Однако в других случаях картина менее ясна, и рассчитать теоретически, чему равен коэффициент трения, пока никому не удавалось.
Закон Кулона определяет максимальную величину силы трения. Если тело, например, просто лежит на горизонтальной поверхности, то сила трения на него не действует. Трение возникает, если попытаться сдвинуть тело, приложить к нему силу. Пока величина этой силы не превышает значения , тело остается в покое и сила трения равна по величине и обратна по направлению приложенной силе. Затем начнется движение. Таким образом, - это максимальная сила трения покоя.
Может показаться удивительным, но именно сила трения покоя разгоняет автомобиль. Ведь при движении автомобиля колеса не проскальзывают относительно дороги, и между шинами и поверхностью дороги возникает сила трения покоя. Как легко видеть (рис. 1,а), она направлена в сторону движения автомобиля. Величина этой силы не может превосходить значения . Поэтому если на скользкой дороге резко нажать на газ, то автомобиль начнет буксовать. А вот если нажать на тормоза, то вращение колес прекратится и автомобиль будет скользить по дороге. Сила трения изменит свое направление (рис. 1.6) и начнет тормозить автомобиль.
Сила трения при скольжении твердых тел зависит не только от свойств поверхностей и силы давления (это зависимость качественно такая же, как для трения покоя), но и от скорости движения. Часто с увеличением скорости сила трения сначала резко падает, а затем снова начинает возрастать (рис. 1,в).
Эта важная особенность силы трения скольжения как раз и объясняет, почему звучит скрипичная струна. Вначале между смычком и струной нет проскальзывания, и струна захватывается смычком (рис. 2). Когда сила трения покоя достигнет максимального значения, струна сорвется, и дальше она колеблется почти как свободная, затем снова захватывается смычком и т. д.
Подобные, но уже вредные колебания могут возникнуть при обработке металла на токарном станке вследствие трения между снимаемой стружкой и резцом (рис. 3). И если смычок натирают канифолью, чтобы сделать зависимость силы трения от скорости более резкой, то при обработке металла приходится действовать наоборот (выбирать специальную форму резца, смазку и т. п.). Так что важно знать законы, трения и уметь ими пользоваться.
Кроме сухого трения существует еще так называемое жидкое трение, возникающее при движении твердых тел в жидкостях и газах и связанное с их вязкостью. Силы жидкого трения пропорциональны скорости движения и обращаются в нуль, когда тело останавливается. Поэтому в жидкости можно заставить тело двигаться, прикладывая даже очень маленькую силу. Например, тяжелую баржу на воде человек может привести в движение, отталкиваясь от дна шестом, а на земле такой груз ему, конечно, не сдвинуть. Эта важная особенность сил жидкого трения объясняет, например, тот факт, почему автомобиль «заносит» на мокрой дороге. Трение становится жидким, и даже небольшие неровности дороги, создающие боковые силы, приводят к «заносу» автомобиля.
HTML-версии работы пока нет.
Подобные документы
Силы, возникающие между соприкасающимися телами при их относительном движении. Определение величины и направления силы трения скольжения, закон Амонтона-Кулона. Виды трения в механизмах и машинах. Сцепление с поверхностью как обеспечение перемещения.
презентация , добавлен 16.12.2014
Характеристика приближенных методов определения коэффициента трения скольжения, особенности его расчета для различных материалов. Значение и расчет силы трения по закону Кулона. Устройство и принцип действия установки для определения коэффициента трения.
лабораторная работа , добавлен 12.01.2010
История возникновения силы трения - процесса взаимодействия тел при их относительном движении (смещении) либо при движении тела в газообразной или жидкой среде. Возникновение сил трения скольжения и покоя на стыке соприкасающихся тел, способы уменьшения.
реферат , добавлен 30.07.2015
Причина возникновения силы трения и ее примеры: движение оси колеса, шарик, катящийся по горизонтальному полу. Формулы расчета силы трения в физике. Роль силы трения в жизнедеятельности на Земле: осуществление ходьбы, вращение ведущих колес экипажа.
презентация , добавлен 16.01.2011
Гравитационные, электромагнитные и ядерные силы. Взаимодействие элементарных частиц. Понятие силы тяжести и тяготения. Определение силы упругости и основные виды деформации. Особенности сил трения и силы покоя. Проявления трения в природе и в технике.
презентация , добавлен 24.01.2012
Сила трения как сила, возникающая при соприкосновении тел, направленная вдоль границы соприкосновения и препятствующая относительному движению тел. Причины возникновения трения. Сила трения покоя, скольжения и качения. Применение смазки и подшипников.
презентация , добавлен 12.11.2013
Трение как процесс взаимодействия твердых тел при относительном движении либо при движении твердого тела в газообразной или жидкой среде. Виды трения, расчет трения покоя, скольжения и качения. Расчет коэффициентов трения для различных пар поверхностей.
практическая работа , добавлен 10.05.2010
Трения в макро- и наномире. Принципиальное отличие сил трения от сил адгезии. Движение твердого тела в жидкой среде. Основные типы галактик: эллиптические, спиральные и неправильные. Пространственная структура Вселенной. Принцип относительности Галилея.
презентация , добавлен 29.09.2013
Сила трения как сила, возникающая при соприкосновении тел, направленная вдоль границы соприкосновения и препятствующая относительному движению тел. Причины возникновения трения. Роль силы трения в быту, в технике и в природе. Вредное и полезное трение.
презентация , добавлен 09.02.2014
Определение поступательного движения. Действие и противодействие. Направление действия силы. Сила трения покоя и сила сухого трения. Силы взаимного притяжения. История о том, как "Лебедь, Рак и Щука везти с поклажей воз взялись" с точки зрения физики.
Трение - совокупность явлений, вызывающих сопротивление движению относительно друг друга макроскопических тел (внешнее трение) или элементов одного и того же тела (внутреннее трение), при котором механическая энергия рассеивается преимущественно в виде тепла . Внешнее трение происходит на границе контакта двух твердых тел. Внутреннее трение возникает, в потоках жидкости или при деформации твердого тела , между частями что перемешаются друг относительно друга.
Внешнее трение (трение) - явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах контакта их поверхностей, тангециально к ним. (ГОСТ 2823-94)
1. Виды внешнего трения
При наличии относительного движения двух тел, контактирующих между собой силы трения, возникающие при этом, можно разделить на:
2. Физическая природа
Физическая природа трения до конца не изучена. Существуют различные научные школы, которые трактуют природу трения с разных позиций, например с точки зрения физики металлов, электрической природы и т.д.
Количественно проявление трения между твердыми телами описывается силой трения .
Явление внутреннего трения в жидкостях и газах называется вязкостью .
3. Диссипация энергии
При трении энергия макроскопического механического движения переходит в энергию микроскопического движения атомов и молекул. Человечество научилось использовать этот эффект для добывания огня.
4. Электризация трением
Подробнее в статье Трибоэлектрических эффектПри трении поверхности многих тел заряжаются, что свидетельствует о электростатическую природу трения. Этот процесс используется для создания статических зарядов. Одним из распространенных примеров такой электризации трением в современном мире электризация барабана в фотокопировальных машин . С помощью электризации трением можно создавать очень большие напряжения , как, например, в электростатическом генераторе Ван де Граафа .
5. Смазки
Различают трения без смазочного материала (сухое трение) и трения с смазочным материалом, подводимой в зону трения. Для уменьшения трения используются различные
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Из второго уравнения:
Сила трения:
Подставив выражение для силы трения в первое уравнение, получим:
При торможении до полной остановки скорость автобуса падает от значения до нуля, поэтому автобуса:
Приравнивая правые части соотношений для ускорения автобуса при аварийном торможении, получим:
откуда время до полной остановки автобуса:
Ускорение свободного падения м/с
Подставив в формулу численные значения физических величин, вычислим:
ПРИМЕР 2
| Задание | Небольшое тело положили на наклонную плоскость, составляющую угол с горизонтом, и отпустили. Какое расстояние пройдет тело за 3 с, если коэффициент трения между ним и поверхностью 0,2? |
| Решение | Выполним рисунок и укажем все силы, действующие на тело.
На тело действуют сила тяжести , сила реакции опоры и сила трения Выберем систему координат, как показано на рисунке, и спроектируем это векторное равенство на оси координат:
Из второго уравнения: |
-
Третий тип сил, с которыми имеют дело в механике, - это силы трения. Силы трения, как и силы упругости, имеют электромагнитную природу, т. е. в основе сил трения лежат электрические силы взаимодействия молекул. Главная особенность сил трения, отличающая их от гравитационных сил и сил упругости, состоит в том, что они зависят от скорости движения тел относительно друг друга.
Познакомимся сначала с силами трения между поверхностями твердых тел. Эти силы возникают при непосредственном соприкосновении тел и всегда направлены вдоль поверхностей соприкосновения в отличие от сил упругости, направленных перпендикулярно этим поверхностям. Сила трения возникает при движении одного тела по поверхности другого, но она может существовать между соприкасающимися твердыми телами, когда эти тела неподвижны относительно друг друга. Всегда силы трения препятствуют относительному перемещению тел.
Природа трения
Причина, по которой книга не соскальзывает со слегка наклонного стола, - шероховатость поверхности стола и обложки книги. Эта шероховатость заметна на ощупь, а под микроскопом видно, что поверхность твердого стола более всего напоминает горную страну. По этой же причине лошади нужно приложить большое усилие, чтобы сдвинуть с места тяжелый груз (рис. 3.31). Бесчисленные выступы цепляются друг за друга, деформируются и не дают книге или грузу скользить. Таким образом, сила трения покоя вызвана теми же силами взаимодействия молекул, что и обычная сила упругости.
При скольжении одного тела по поверхности другого происходит «скалывание» бугорков, разрыв молекулярных связей, не способных выдержать возросшую нагрузку. Обнаружить «скалывание» бугорков не представляет труда: результатом такого «скалывания» является износ трущихся деталей.
Казалось бы, чем тщательнее отполированы поверхности, тем меньше должна быть сила трения. До известной степени это так. Шлифовка снижает, например, силу трения между двумя стальными брусками, но не беспредельно. При дальнейшем увеличении гладкости поверхностей сила трения начинает расти. Дело здесь в следующем.
По мере сглаживания поверхностей они все плотнее и плотнее прилегают друг к другу. Однако до тех пор, пока высота неровностей превышает несколько молекулярных радиусов, силы взаимодействия между молекулами соседних поверхностей (кроме самих бугорков) отсутствуют. Ведь это очень короткодействующие силы. Их действие простирается на расстояния в несколько молекулярных радиусов. Лишь при достижении некоего совершенства шлифовки поверхности сблизятся настолько, что силы притяжения (сцепления) молекул охватят значительную часть поверхности соприкосновения брусков. Эти силы начнут препятствовать смещению брусков относительно друг друга, что приводит к увеличению силы трения покоя.
При скольжении гладких брусков рвутся молекулярные связи между молекулами на поверхности брусков, подобно тому как у шероховатых поверхностей разрушаются связи в самих бугорках. Разрыв молекулярных связей - вот то главное, чем отличаются силы трения от сил упругости, при возникновении которых таких разрывов не происходит. Именно поэтому силы трения зависят от скорости.
Ниже мы рассмотрим подробнее отдельные виды сил трения.
Трение покоя
Допустим, что вам нужно передвинуть шкаф. Вы действуете на него с силой, направленной горизонтально, но шкаф не сдвигается с места.
Это возможно только в том случае, когда приложенная к шкафу сила компенсируется (уравновешивается) какой-то другой силой. Эта сила, равная по модулю приложенной вами силе и направленная противоположно ей, и есть сила трения покоя.
Сила трения покоя - это сила, действующая на данное тело со стороны соприкасающегося с ним другого тела вдоль поверхности соприкосновения тел в случае, когда тела покоятся относительно друг друга.
Вы начинаете толкать шкаф сильнее, а он продолжает оставаться на месте. Значит, одновременно возрастает и сила трения покоя.
Сила трения покоя равна по модулю и направлена противоположно силе, приложенной к телу параллельно поверхности соприкосновения его с другим телом. Если параллельно этой поверхности не действуют никакие силы, то сила трения покоя равна нулю.
Увеличивая силу, действующую на шкаф, вы в конце концов сдвинете его с места. Следовательно, сила трения покоя может изменяться от нуля до некоторого наибольшего значения. Максимальное значение силы трения, при котором скольжение еще не наступает, называется максимальной силой трения покоя. Если действующая на покоящееся тело сила хотя бы немного превышает максимальную силу трения покоя, то тело начинает скользить.
Выясним, от чего зависит максимальная сила трения покоя. Для этого положим на стол тяжелый деревянный брусок и начнем тянуть его с помощью динамометра (рис. 3.32). Показания динамометра в тот момент, когда брусок начинает трогаться с места, будем записывать. Они соответствуют максимальной силе трения покоя (ее модулю). Будем нагружать брусок гирями, увеличивая вес бруска , следовательно, и силу реакции опоры , в два, три раза и т. д. Заметим, что модуль максимальной силы трения покоя F max тоже увеличивается в два, три раза и т. д.
Рис. 3.32
Проделанный нами опыт и множество других подобных опытов позволяют сделать вывод о том, что максимальное значение модуля силы трения покоя прямо пропорционально модулю силы реакции опоры:
Здесь μ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения покоя.
Коэффициент трения покоя зависит от материала, из которого изготовлены соприкасающиеся тела, качества обработки их поверхностей, но, как показывает опыт, не зависит от площади их соприкосновения. Если положить брусок на меньшую грань, мы получим то же значение для коэффициента трения покоя.
В опыте, изображенном на рисунке 3.32, сила трения покоя приложена не только к бруску, но и к столу. Действительно, если стол действует на брусок с силой трения покоя тр1 направленной влево, то брусок действует на стол с силой трения тр2 , направленной вправо, при этом, согласно третьему закону Ньютона,
Почему же сила трения покоя может изменяться от нуля до максимального значения, равного μN? Вот как это происходит. При действии на тело некоторой силы оно слегка (незаметно для глаза) смещается. Это смещение продолжается до тех пор, пока микроскопические шероховатости поверхностей не расположатся так, что, зацепляясь друг за друга, они приведут к появлению силы трения, уравновешивающей силу . При увеличении силы тело опять чуть-чуть сдвинется так, что мельчайшие неровности поверхностей по-иному будут цепляться друг за друга и сила трения возрастет. Лишь при F > F max ни при каком расположении поверхностей по отношению друг к другу сила трения не в состоянии уравновесить силу , и начинается скольжение.
Трение скольжения
Когда тело скользит по поверхности другого тела, на него тоже действует сила трения - сила трения скольжения. В этом можно убедиться на опыте. Прикрепленный к бруску динамометр при равномерном движении бруска по горизонтальной поверхности (рис. 3.33) показывает, что на брусок со стороны пружины динамометра действует постоянная сила упругости . Согласно второму закону Ньютона при равномерном движении бруска (ускорение а = 0) равнодействующая всех сил, приложенных к нему, равна нулю. Следовательно, кроме силы упругости (сила тяжести m и сила реакции опоры уравновешиваются) во время равномерного движения на брусок действует сила, равная по модулю силе упругости, но направленная противоположно ей. Эта сила и есть сила трения скольжения.
Рис. 3.33
Сила трения скольжения, как и максимальная сила трения покоя, зависит от силы реакции опоры , от материала трущихся тел и состояния их поверхностей. Существенно, что сила трения скольжения зависит также от относительной скорости движения тел. Во-первых, сила трения скольжения всегда направлена противоположно относительной скорости соприкасающихся тел. Это можно пояснить с помощью рисунка 3.34, на котором изображены два трущихся тела.
Рис. 3.34
Тело 1 движется относительно тела 2 со скоростью 1, 2 , направленной вправо. К телу 1 приложена сила трения тр1 направленная влево. Тело 2 движется относительно тела 1 влево со скоростью 2, 1 , а приложенная к нему сила трения тр2 направлена вправо.
Во-вторых, модуль силы трения скольжения зависит и от модуля относительной скорости трущихся тел. Зависимость модуля силы трения скольжения от модуля относительной скорости устанавливается экспериментально. Эта зависимость показана на рисунке 3.35. При малых относительных скоростях движения тел сила трения скольжения мало отличается от максимальной силы трения покоя. Поэтому приближенно можно считать ее постоянной и равной силе трения покоя:
Рис. 3.35
Коэффициенты трения для некоторых материалов приведены в таблице 5.
Таблица 5
Заметим, что модуль силы трения тр обычно меньше модуля силы реакции опоры . Поэтому коэффициент трения скольжения меньше единицы. По этой причине любое тело легче перемещать волоком, чем поднимать или переносить.
Сила трения зависит от относительной скорости движения тел. В этом ее главное отличие от сил тяготения и упругости, зависящих только от координат.
Вопросы для самопроверки
- Тело массой m = 5 кг лежит на горизонтальной поверхности. Коэффициент трения μ = 0,2. На тело действует горизонтальная сила F = 5 Н. Чему равна сила трения, если тело остается в покое?
