Что такое сила трения?
Что такое сила трения? Ответ на этот вопрос первым попытался дать Исаак Ньютон более 300 лет тому назад. Вопрос не самый сложный, но для его понимания потребуется немного внимания и терпения.
Изучению силы трения посвящен специальный раздел механики – так называемая механика фрикционного взаимодействия (или – трибология).
Сила трения – это сила, с которой тела, соприкасающиеся и перемещающиеся друг относительно друга, взаимодействуют между собой. Именно сила трения препятствует свободному перемещению соприкасающихся тел.
Типы трения и силы трения
В школьном курсе физики проводится детальный разбор двух типов трения: [1] вязкое трение и [2] сухое трение.
Первый тип трения охватывает случаи перемещения твердого тела в газообразной или жидкой среде, а также перемещения слоев различных сред.
Второй тип – сухое трение – имеет место при взаимодействии исключительно твердых тел при отсутствии жидких или газообразных прослоек между ними.
В более «продвинутых» курсах механики рассматриваются дополнительные типы трения:
- граничное трение, допускающее присутствие между взаимодействующими поверхностями окисных пленок, жидкости и прочих промежуточных слоев;
- вязкоупругое трение – возникает, когда нарастает относительная скорость перемещения объекта, погруженного в смазывающий материал;
- смешанное трение – когда при контакте поверхностей образуются участки как вязкого, так и сухого трения.
Физические свойства всех типов трения различны.
Независимо от типа взаимодействующих объектов выделяют три разновидности силы трения:
- сила трения покоя (оба взаимодействующих объекта неподвижны);
- сила трения скольжения (один из взаимодействующих объектов скользит по поверхности другого);
- сила трения качения (один из взаимодействующих объектов раскачивается относительно другого).
Сила трения покоя
Предположим, нам нужно сдвинуть с места тяжеленный шкаф. Обычному человеку, а тем более ребенку это вряд ли под силу.
Шкаф остается на месте, несмотря на усилия, прилагаемые к тому, чтобы изменить его положение.
Это происходит потому, что сила трения между полом и ножками шкафа больше силы, которую к шкафу прикладывает человек.
Данный пример красноречиво демонстрирует действие силы трения покоя, под которой понимают силу трения, действующую между неподвижными предметами и препятствующую их движению.
Откуда вообще появляется сила трения покоя?
Если рассмотреть поверхность пола и ножек шкафа в микроскоп, мы обнаружим множественные микроскопические бугорки невообразимых форм.
Когда тела покоятся друг на друге, происходит зацепление бугорков друг за друга, из-за чего тела остаются в обездвиженном состоянии.
Воздействие на одно из тел или на оба тела сразу для их перемещения друг относительно друга приведет к деформации бугорков, которая вызовет электромагнитное отталкивание молекул, лежащее в основе силы трения покоя.
Если физические усилия прикладывать плавно, до некоторого критического момента сила трения покоя будет равна по модулю силе, с которой мы пытаемся сдвинуть шкаф с места.
Сила трения скольжения
В момент, когда шкаф все-таки сдвинется с места сила, сила трения покоя достигнет своего максимального значения.
В этот момент происходит разрушение бугорков и, как следствие, - шкаф начинает скользить.
Фото 1. Для уменьшения силы трения скольжения используются колеса и другие приспособления
Возникает новый тип силы трения – сила трения скольжения. Эта сила возникает при взаимодействии скользящих друг по другу поверхностей.
Эта сила проявляется в момент физического перемещения (скольжения) ножек шкафа по полу или при скольжении конька хоккеиста или фигуриста по поверхности льда.
Если перевести происходящее на «язык бугорков», при скольжении наблюдается разрыв связей между молекулами, сосредоточенными в разных бугорках.
Когда объекты неподвижны – то есть когда действует сила трения покоя – таких разрывов не происходит.
«Модель бугорков» условна. Она придумана для изложения сложных вещей простым языком.
Те же процессы можно объяснить более глубокими научными терминами, понимание которых потребует от читателя специальной подготовки.
Простейшие физические законы, связанные с силой трения
Ответ на вопрос, что такое сила трения, можно получить не только посредством изучения теоретических положений, но и решая практические задачи.
Для решения задач, связанных с вычислением значений силы трения, понадобятся некоторые научные факты, характеризующие силу трения.
К примеру, вектор силы трения скольжения, приложенной к телу со стороны скользящей поверхности, всегда направлен в противоположную сторону от направления вектора скорости движения объекта.
Если изменится направление скорости, произойдет изменение и направления силы трения скольжения. Зависимость силы трения от скорости – важная отличительная особенность, присущая этой силе (которой нет, например, у силы тяготения или силы упругости).
Для простейшей модели сухого трения характерно действие следующих законов:
[1]. Сила трения скольжения равна максимальной величине силы трения покоя.
[2]. Коэффициент трения не зависит ни от площади взаимодействующих поверхностей, ни от скорости движения взаимодействующих объектов друг относительно друга.
[3]. Имеется прямо пропорциональная связь между силой реакции опоры и абсолютной величиной силы трения скольжения, рассчитываемой по формуле: f = µN.
Коэффициент пропорциональности µ называется коэффициентом трения.
Учеными-физиками рассчитаны коэффициенты трения для десятков тысяч пар материалов.
Например, коэффициент трения покоя для пары «резина – сухой асфальт» равен 0,95, а коэффициент трения скольжения для этой же пары варьируется в пределах от 0,5 до 0,8.
Изменяя свойства взаимодействующих объектов, можно влиять на величину силы трения, возникающей при их взаимодействии.
Например, совершенствование внешних форм гоночных автомобилей или рисунка протекторов используемых шин позволяет увеличивать их скорость за счет уменьшения силы трения скольжения.
|