Studepedia.org – это Лекции, Методички, и много других полезных для учебы материалов

Содержание

Сила трения появляется, когда две поверхности соприкасаются и движутся относительно друг друга. Процесс изучает физика, в частности механика. Она рассматривает основные законы, которым поддаются тела при их движении и взаимодействии, выясняет причины, влияющие на изменение положения предметов.

Определение и природа силы трения

Сила трения Fтр возникает при касании двух тел. Она создает препятствия для их дальнейшего движения. 

Это происходит при взаимодействии атомов и молекул, из которых состоят предметы. Поэтому природа ее появления – электромагнитные волны. Она действует в двух направлениях, направлена на оба тела. 

При этом ее значение по модулю не изменяется. Если на одно из двух соприкасающихся тел действует сила, то она оказывает влияние и на другое.

На предмет, остающийся без движения, влияет сила трения покоя. Пока ее значение не превысит внешнее вмешательство, пытающееся сместить предмет, он не изменит положение. 

Когда же ее величина возрастет до определенного предела, произойдет перемещение в новое место. Тогда появляется сила трения скольжения, ее направление противоположно смещению предмета.

Благодаря действию трения невозможно перемещаться вечно. Движение закончится через определенное время. Если же внешняя сила вновь превысит значение трения покоя, то перемещение возобновится.

Виды силы трения

Основные виды силы трения:

Покоя. Она сопротивляется внешним факторам, пытающимся сдвинуть тело. При их отсутствии ее значение приравнивают к нулю.

Скольжения. Она находится в прямой зависимости от коэффициента трения и значения силы, с которой поверхность оказывает давление на тело. Ее направление действия всегда перпендикулярно поверхности. Она обычно ниже, чем максимальная сила трения покоя.

Качения. Она возникает, когда одно тело катится по поверхности другого. Например, при соприкосновении колеса едущего велосипеда с дорогой или при работе подшипникового механизма. Она оказывает гораздо меньшее действие, чем трение скольжения, если остальные условия считать неизменными. Ее открытие стало незаменимым для техники. Колеса и круглые детали, вращающиеся и меняющие положение, являются основой многих механизмов и работы транспортных средств.

Верчения. Она появляется, когда один предмет начинает вращаться по поверхности другого.

Само трение может быть нескольких видов:

Сухим. Проявляется при соприкосновении твердых поверхностей. На них не наблюдаются другие материалы и слои. Такое в природе и жизни встречается крайне редко.

Вязким. Его еще называют жидкостным. Возникает при взаимодействии твердого тела с жидкостью или газом. Они могут течь мимо неподвижного предмета. Или он перемещается в жидкой или газообразной субстанции. Например, лодку тянут на канате по реке. Тело заставляет перемещаться верхний слой жидкости или газа. Словно тянет его за собой. Он в свою очередь действует на другой слой, расположенный ниже. Чем дальше от тела, тем ниже скорость движения слоев. Это происходит из-за уменьшения влияния твердого предмета. Между слоями возникает сила трения, так как тела движутся относительно друг друга. Она приводит к их торможению, а значит и действует на твердое тело, останавливая его. Температура определяет степень вязкости веществ. Например, она снижается при нагревании масла. Это наглядно видно на работе автомобильного мотора. Когда машина долго находилась на холоде, двигатель нужно сначала разогреть, чтобы увеличить скорость его вращения. У газов обратная зависимость. Вязкость растет с увеличением температуры.

Смешанным. Оно наблюдается, когда между телами, соприкасающимися поверхностями, есть слой смазки.

Также трение разделяют на внутреннее и внешнее. Последнее возникает при взаимодействии твердых тел. Значит к нему можно отнести сухое трение. 

Внутреннее же характеризуется вязкостью. Именно при взаимодействии жидкостей или газа смещение происходит внутри одного тела, когда слои движутся относительно друг друга.

Как найти силу трения

Чтобы найти силу трения, нужно знать коэффициент трения k, зависящий от свойств поверхности. Это постоянная величина, значение которой берется из таблиц. 

Также понадобится сила реакции опоры N. Нужная величина определяется произведением двух значений:

Fтр = k * N

Буквой k обозначается коэффициент. Также можно встретить символ µ. Обычно он находится в пределах от 0,1 до 1. 

Например, для резины, перемещающейся по сухому асфальту, при движении он колеблется от 0,5 до 0,8. При скольжении металла по дереву – 0,4, железа по чугуну – 0,18.

Сила реакции опоры не отличается от величины силы тяжести, зависящей от веса тела. Поэтому ее значение равно произведению массы тела (m) на ускорение свободного падения (g).

N = m * g

Это постоянная величина, составляющая 9,8 м/с². Это правило действует, когда приходится иметь дело с горизонтальной поверхностью. Сила тяжести и реакция опоры уравновешивают друг друга. Поэтому их считают равными величинами.

Если же происходит движение по наклонной плоскости, ход рассуждений несколько меняется. На предмет по-прежнему действуют силы тяжести и реакция опоры, но не в одном направлении.

При знании угла наклона плоскости к горизонту, формула трансформируется и приобретает следующий вид:

N = k * m *·g *·cosα

Здесь необходимо руководствоваться тем, что косинус это отношение катета, прилежащего к углу, к гипотенузе треугольника. Это один из тех случаев, доказывающих тесную взаимосвязь физики и тригонометрии.

Пример решения задачи

Задача, на применение полученных знаний, связанных с силой трения, поможет закрепить материал.

Условие задачи. На полу стоит коробка весом 7 кг. Коэффициент трения между ней и полом составляет 0,3. К коробке прикладывают силу, равную 14 Н. Сдвинется ли она с места?

Решение.

Коробка находится на горизонтальной плоскости. Она подвержена действию силы тяжести, которую уравнивает реакция опоры. Они направлены перпендикулярно коробке и полу. Значит, для определения силы реакции опоры, нужно умножить массу коробки на ускорение:

N = m * g;

N = 10 кг * 9,8 м/с² = 98 кг * м/с² = 98 Н;

Fтр = k * N;

Fтр = 0,3·* 98Н = 29,4 Н.

Ответ: полученное значение превышает усилия, приложенные к коробке со стороны, так как 29,4 Н > 14 Н. Значит, она останется на первоначальном месте.

Сила трения присутствует в жизни постоянно. Она мешает предметам сдвинуться с места и противится их длительному скольжению и перемещению. Ее значение зависит от поверхностей, с которыми приходится соприкасаться, их свойств и характеристик. 

Площадь соприкосновения не учитывается, зато имеет значение положение тела. Например, сила, возникающая при движении автомобиля по ровной поверхности, отличается от величины при перемещении по горной местности, расположенной под углом к горизонту. А если машине приходится двигаться на мокрой дороге, то значение снова меняется.

Мы уже познакомились с силами упругости и трения качественно, теперь рассмотрим их количественно, с привлечением формул.

Сила упругости возникает в любом теле, если менять его форму и/или размеры. Например, сжимая пластилин или глину, мы чувствуем их противодействие – это сила упругости. Она не зависит от того, насколько пластилин или глина уже сжаты. Иное дело, если мы возьмём резиновый шарик либо стальную пружину. Чем больше мы будем их сжимать или растягивать, тем большая сила упругости будет возникать (см. рисунок).

Продолжим опыт с гирями и динамометром, рассмотренный в предыдущем параграфе. С помощью линейки будем измерять удлинение пружины Δl, равное разности её конечной и начальной длины: l – l0. Мы обнаружим, что возникающая сила упругости прямо пропорциональна модулю изменения длины пружины:

Коэффициент k характеризует жёсткость пружины. Поясним его смысл. Пусть, например, мы растянули пружину динамометра на 5 см, и в ней возникла сила упругости 2 Н. Тогда жёсткость этой пружины равна: k = 2 Н : 0,05 м = 40 Н/м. Допустим теперь, что мы взяли пружину из более толстой проволки. Приложив к ней такую же силу 2 Н, мы заметим меньшее растяжение, например 1 см. Тогда жёсткость такой пружины будет больше: k = 2 Н : 0,01 м = 200 Н/м.

Более углублённо мы рассмотрим силу упругости в 9 классе.

Как вы уже знаете (см. § 3-б), сила трения бывает двух видов – трения скольжения и трения покоя. При участии жидкостей или газов сила трения покоя всегда равна нулю, а вместо термина «сила трения скольжения» чаще употребляют термин «сила сопротивления движению». Формулы, описывающие трение с участием жидкостей и газов, сложны, поэтому мы рассмотрим только формулу для силы трения скольжения твёрдого тела по поверхности другого твёрдого тела.

Проделаем опыт. Деревянный брусок весом 2 Н будем равномерно тянуть по горизонтальной доске, измеряя силу трения. Сверху на брусок будем ставить грузики по 1 Н, увеличивающие вес бруска. Результаты опыта занесём в таблицу:

Количество грузиков, шт. 1 2 3
Вес бруска с грузиками 2 Н 3 Н 4 Н 5 Н
Сила трения скольжения 0,6 Н 0,9 Н 1,2 Н 1,5 Н

Из сравнения нижних пар значений двух сил видно, что возникающая сила трения скольжения пропорциональна силе давления на опору (в нашем случае – действующему на доску весу бруска и грузиков). Эта закономерность выражается формулой:

Взяв любую пару значений сил, мы подсчитаем коэффициент трения скольжения деревянного бруска по деревянной доске в нашем опыте. Например, μ = 0,6 Н : 2 Н = 0,9 Н : 3 Н = 1,2 Н : 4 Н = 1,5 Н : 5 Н = 0,3. То есть μ = 0,3. Этот коэффициент показывает, что сила трения скольжения в нашем опыте составляет 3/10 от силы давления на опору.

Случаи негоризонтальных поверхностей мы рассмотрим в 9 классе.

Studepedia.org – это постоянно обновляющаяся большая база учебных материалов (на даный момент 303 тыс. 117 статей) для студентов и учителей.

Последнее поступление – 6 Августа, 2021

ИОСИФ СТАЛИН КАК ИСТОРИЧЕСКИЙ ТИП РОССИЙСКОГО РУКОВОДИТЕЛЯ (История)

Сьюзен Сонтаг. Против интерпретации и другие эссе (Культура, Искусство)

Исходный текст 2 страница. livskunskapen, att “nГ¤r en mГ¤nniska bГ¶rjar tГ¤nka,.. (Изучение языков)

FГ¶rundersГ¶kning till Krishnamurtis fГ¶rkunnelse4.3 Анализ, предшествующий изучению учения Кришнамурти (Философия)

Жизнь поэта: Кобо Абэ (Литература)

Заимствования англицизмов в русском языке (Изучение языков)

О нейтрализации геопатогенных зон (Экология)

Геопатогенные зоны, геопатогенный стрес, влияние на человека (Экология)

Применение специальных познаний в уголовном судопроизводстве (Право)

МЕЖДУ ДЕТСТВОМ И ВЗРОСЛОСТЬЮ (Педагогика)

Заветное желание (Религия)

Надвигается бедствие | «Затерянные в глуши» Курт Залекер | (Литература)

Туберкулез. Что способствует возникновению заболевания? (Медицина, Здоровье)

ГРУЗЫ, ЗАПРЕЩЕННЫЕ К ПЕРЕВОЗКЕ ЛЮБЫМ ВИДОМ ТРАНСПОРТА (Управление и эксплуатация транспортных средств)

Числа. Арифметические действия. Величины (Математика)

Занимательная биология (Биология, Зоология, Анатомия)

Загородный дом (Охрана труда, БЖД)

Задания по реальной математике (Математика)

Курс задача 1, Олимпиада по математике ТУСУР, 2019 (Математика)

Философия тренинга Studium ЦЭ (Психология)

В офисе: Пожары, возникающие в офисных помещениях (Охрана труда, БЖД)

Дрессировка животных (Психология)

В чем заключен главный вред Led ламп, Преимущества и недостатки светодиодных ламп (Охрана труда, БЖД)

Гендерные различия в формировании идеального «Образа Я» у старшеклассников. (Образование)

ВСЕ СКАЗКИ, БАСНИ И РАССКАЗЫ ДЛЯ ДЕТЕЙ (Литература)

Древняя история, Всеобщая история обработанная «Сатириконом» (История)

История Всемирного дня поэзии (Литература)

Обратимость времени в Древнем Египте и Ветхом Завете (История)

Вредные советы: Стиль, Повторы (Изучение языков)

Врожденные пороки развития пищеварительного тракта у новорожденных (Медицина, Здоровье)

Благодаря силе трения мы не скользим, отталкиваясь от поверхности, когда идем по тропинке.

Иногда силу трения увеличивают, разбрасывая песок на покрытую льдом поверхность ступеней крыльца.

В некоторых случаях силу трения стараются уменьшить, смазывая трущиеся поверхности, например, подшипники на оси колеса.

Трущиеся поверхности нагреваются, поэтому с помощью силы трения можно зажечь огонь.

Виды трения

Пусть одно тело лежит на поверхности другого тела. В этом случае между поверхностями действует сила трения покоя.

Она может быть практически равной нулю, когда поверхности расположены горизонтально. Но иногда трение покоя может быть достаточно большим.

К примеру, если толкнуть в бок тяжелый ящик, лежащий на горизонтальном полу, мы почувствуем сопротивление. Оно возникает благодаря тому, что между поверхностями ящика и пола действует сила трения покоя, которая, по третьему закону Ньютона равна силе, с которой мы толкаем ящик.

Примечание: Пока тело не сдвинулось с места, сила трения покоя ( overrightarrow{ F_{text{тр. покоя}}} ) равна силе ( vec{F} ), которая действует на тело!

[ large boxed{ left| overrightarrow{F_{text{тр. покоя}}} right| = left| vec{F} right| } ]

Чем больше становится приложенная нами сила, тем больше увеличивается трение покоя. Так будет происходить до тех пор, пока приложенную силу не увеличим настолько, что ящик сдвинется с места.

Как только ящик пришел в движение, сила трения покоя сменится силой трения скольжения.

Примечание: Сила трения скольжения меньше максимальной силы трения покоя.

Нам известно, что катить тележку с грузом по сухому асфальту легче, чем тянуть по асфальту волокуши с этим же грузом. Причина этого — сила трения.

Примечание: В местах соединения колес со ступицами присутствует трение, его называют трением качения, оно гораздо меньше трения скольжения.

Отличие между силами трения можно показать с помощью рисунка 1.

Трение покоя может изменяться от нуля до своего максимального значения (F_{max}). Это максимальное значение оказывается даже большим, чем сила трения скольжения.

Поэтому, с места столкнуть тело сложнее, чем подталкивать его, когда оно уже скользит по поверхности.

А сила трения качения будет незначительно отличаться от нуля. Катить всегда легче, чем тащить волоком.

Рис. 1. Шкала сил трения, трение качения меньше трения скольжения. А трение покоя может изменяться от нуля до величины, которая превышает трение скольжения

Сила трения имеет электромагнитную природу. Даже самая гладкая поверхность под микроскопом содержит бугры и впадины. Когда поверхности соприкасаются, тела взаимодействуют благодаря таким неровностям. Электронные оболочки атомов тел сближаются, образуется трение.

Формула для расчета силы трения

Рассмотрим тело, например, ящик (рис. 2), скользящий по горизонтальной поверхности со скоростью (vec{v}).

Ящик давит на поверхность своим весом, на рисунке он не обозначен. Вертикально вверх направлена сила реакции поверхности, на которую ящик давит.

А сила трения направлена против движения ящика.

Рис. 2. Сила трения скольжения направлена всегда против движения тела

Силу трения скольжения можно вычислить, используя такое выражение:

[ large boxed{ left| vec{F_{text{тр. сколь}}} right| = mu cdot N }]

( F_{text{тр. сколь}} left( H right) ) – сила трения, которая возникает при скольжении одного тела по поверхности другого;

( mu )  – коэффициент трения скольжения, это просто число, у него нет собственных единиц измерения;

( N left( H right) )  – сила реакции опоры. В каждом конкретном случае реакция опоры рассчитывается из соотношения, полученного при составлении векторных уравнений (ссылка).

Работа силы трения

Когда сила перемещает тело, физики говорят: «Сила совершает работу по перемещению тела».

Сила и перемещение – это векторы. Совершать работу может вектор силы, направленный по отношению к вектору перемещения под любым углом, кроме прямого!

Если же угол между направлением движения тела и силой будет прямым, то такая сила работу совершать не будет!

Сила трения может совершать работу. Но эта сила мешает телу двигаться, она направлена против движения. Поэтому, работу такой силы считаем отрицательной и записываем со знаком минус!

Примечание: Сила трения совершает работу, но эту работу мы записываем со знаком минус!

Работа любой силы — это скалярное произведение вектора силы на вектор перемещения.

В векторном виде выражение для работы можно записать так:

[ large boxed{ A_{text{тр}} = left( vec{F_{text{тр}}} cdot vec{S} right) }]

В школе формулу работы обычно записывают в скалярном виде:

[ large boxed{ A_{text{тр}} = left| vec{F_{text{тр}}} right| cdot left| vec{S} right| cdot cos(alpha) }]

( A_{text{тр}} left( text{Дж} right) ) – работа (силы трения), это скалярная величина;

( F_{text{тр}} left( H right) ) – сила трения;

( S left( text{м} right) ) – перемещение тела;

( alpha ) – угол между силой трения и перемещением тела;

Примечание: Трение относится к диссипативным силам. Когда диссипативная сила действует на систему, полная механическая энергия этой системы убывает (диссипирует). Убывающая энергия из механической переходит в другой вид энергии – к примеру, в тепловую энергию.

Используемые источники:

  • https://sprint-olympic.ru/uroki/fizika/97340-sila-treniia-vidy-formyla-i-primery-rascheta.html
  • https://questions-physics.ru/uchebniki/7_klass/sila_uprugosti_i_sila_treniya.html
  • https://studepedia.org/index.php
  • https://formulki.ru/mehanika/sila-treniya