Трение возникает на поверхностях соприкосновения двух твердых тел. Оно играет важную роль и в технике, и в обыденной жизни. Различают три вида внешнего трения: трение покоя, трение скольжения, трение качения . На величину сил трения и характер их зависимости от скорости существенно влияют состояние поверхностей, их обработка, наличие загрязнений и т.д. Вместе с тем величина этих сил зависит от величины нормального давления между поверхностями. Сила трения между соприкасающимися твердыми телами обладает характерной чертой: она не обращается в нуль вместе со скоростью. Сила трения, которая существует между соприкасающимися, но не движущимися телами, носит название трения покоя . Величина и направление силы трения покоя определяются величиной и направлением той внешней силы, которая должна была бы вызвать скольжение. Сила трения покоя равна по величине и противоположна по направлению внешней силе, вызвавшей движение. Сила трения покоя по величине не может превосходить некоторого определенного значения, которое называют максимальной силой трения покоя (или силой трения покоя). Пока внешняя сила не превосходит этого значения, скольжение не возникает (рис. 6.1). За максимальным значением следует крутой спад и остается постоянная сила трения скольжения .
Трение покоя и трение скольжения не зависят от величины площади соприкосновения твердых тел. Для данных тел силы трения покоя и скольжения прямо пропорциональны силе давления N , которая одновременно сжимает оба тела:
, 
, (6.1)
где и – коэффициенты трения покоя и скольжения. Величина в большинстве случаев изменяется в пределах от 0.2 до 0.7; – от 0.2 до 0.5.
Трение покоя играет в технике существенную роль. Оно определяет наибольшую величину необходимой движущей силы для ведущих колес автомобилей, а также для подошв пешеходов. В месте соприкосновения с землей катящееся колесо и подошва ноги движущегося человека находятся в покое относительно земли. Поэтому здесь действует трение покоя. Трение скольжения, наоборот, почти всегда мешает, поэтому в машинах и аппаратах стремятся по возможности исключить внешнее трение между трущимися частями. Его заменяют внутренним трением тонких слоев жидкости между взаимно движущимися частями – это называется смазкой.
Сила трения в земных условиях сопутствует любым движениям тел. Она возникает при соприкосновении двух тел, если эти тела двигаются относительно друг друга. Направлена сила трения всегда вдоль поверхности соприкосновения, в отличие от силы упругости, которая направлена перпендикулярно (рис. 1, рис. 2).
Рис. 1. Отличие направлений силы трения и силы упругости
Рис. 2. Поверхность действует на брусок, а брусок – на поверхность
Существуют сухие и не сухие виды трения. Сухой вид трения возникает при соприкосновении твердых тел.
Рассмотрим брусок, лежащий на горизонтальной поверхности (рис. 3). На него действуют сила тяжести и сила реакции опоры . Подействуем на брусок с небольшой силой , направленной вдоль поверхности. Если брусок не сдвигается с места, значит, приложенная сила уравновешивается другой силой, которая называется силой трения покоя .
Рис. 3. Сила трения покоя
Сила трения покоя () противоположна по направлению и равна по модулю силе, стремящейся сдвинуть тело параллельно поверхности его соприкосновения с другим телом.
При увеличении «сдвигающей» силы брусок остается в покое, следовательно, сила трения покоя также увеличивается. При некоторой, достаточно большой, силе брусок придет в движение. Это означает, что сила трения покоя не может увеличиваться до бесконечности – существует верхний предел, больше которого она быть не может. Величина этого предела – максимальная сила трения покоя.
Подействуем на брусок с помощью динамометра.
Рис. 4. Измерение силы трения с помощью динамометра
Если динамометр действует на него с силой , то можно увидеть, что максимальная сила трения покоя становится больше при увеличении массы бруска, то есть при увеличении силы тяжести и силы реакции опоры. Если провести точные измерения, то они покажут, что максимальная сила трения покоя прямо пропорциональна силе реакции опоры:
где – модуль максимальной силы трения покоя; N – сила реакции опоры (нормального давления); – коэффициент трения покоя (пропорциональности). Следовательно, максимальная сила трения покоя прямо пропорциональна силе нормального давления.
Если провести опыт с динамометром и бруском постоянной массы, при этом переворачивая брусок на разные стороны (меняя площадь соприкосновения со столом), то можно увидеть, что максимальная сила трения покоя не меняется (рис. 5). Следовательно, от площади соприкосновения максимальная сила трения покоя не зависит.
Рис. 5. Максимальное значение силы трения покоя не зависит от площади соприкосновения
Более точные исследования показывают, что трение покоя полностью определяется приложенной к телу силой и формулой .
Сила трения покоя не всегда препятствует движению тела. Например, сила трения покоя действует на подошву обуви, при этом сообщая ускорение и позволяя ходить по земле без проскальзывания (рис. 6).
Рис. 6. Сила трения покоя, действующая по подошву обуви
Еще один пример: сила трения покоя, действующая на колесо автомобиля, позволяет начинать движение без пробуксовки (рис. 7).
Рис. 7. Сила трения покоя, действующая на колесо автомобиля
В ременных передачах также действует сила трения покоя (рис. 8).
Рис. 8. Сила трения покоя в ременных передачах
Если тело движется, то сила трения, действующая на него со стороны поверхности, не исчезает, такой вид трения называется трение скольжения . Измерения показывают, что сила трения скольжения по величине практически равна максимальной силе трения покоя (рис. 9).
Рис. 9. Сила трения скольжения
Сила трения скольжения всегда направлена против скорости движения тела, то есть она препятствует движению. Следовательно, при движении тела только под действием силы трения она сообщает ему отрицательное ускорение, то есть скорость тела постоянно уменьшается.
Величина силы трения скольжения также пропорциональна силе нормального давления.
где – модуль силы трения скольжения; N – сила реакции опоры (нормального давления); – коэффициент трения скольжения (пропорциональности).
На рисунке 10 изображен график зависимости силы трения от приложенной силы. На нем видно два различных участка. Первый участок, на котором сила трения возрастает при увеличении приложенной силы, соответствует трению покоя. Второй участок, на котором сила трения не зависит от внешней силы, соответствует трению скольжения.
Рис. 10. График зависимости силы трения от приложенной силы
Коэффициент трения скольжения приблизительно равен коэффициенту трения покоя. Обычно коэффициент трения скольжения меньше единицы. Это означает, что сила трения скольжения по величине меньше силы нормального давления.
Коэффициент трения скольжения является характеристикой двух трущихся друг о друга тел, он зависит от того, из каких материалов изготовлены тела и насколько хорошо обработаны поверхности (гладкие или шероховатые).
Происхождение сил трения покоя и скольжения обуславливается тем, что любая поверхность на микроскопическом уровне не является плоской, на любой поверхности всегда присутствуют микроскопические неоднородности (рис. 11).
Рис. 11. Поверхности тел на микроскопическом уровне
Когда два соприкасающихся тела подвергаются попытке перемещения относительно друг друга, эти неоднородности зацепляются и препятствуют этому перемещению. При небольшой величине приложенной силы этого зацепления достаточно для того, чтобы не позволить телам смещаться, так возникает трение покоя. Когда внешняя сила превосходит максимальное трение покоя, то зацепления шероховатостей недостаточно для удержания тел, и они начинают смещаться относительно друг друга, при этом между телами действует сила трения скольжения.
Данный вид трения возникает при перекатывании тел друг по другу или при качении одного тела по поверхности другого. Трение качения, как и трение скольжения, сообщает телу отрицательное ускорение.
Возникновение силы трения качения обусловлено деформацией катящегося тела и опорной поверхностью. Так, колесо, расположенное на горизонтальной поверхности, деформирует последнюю. При движении колеса деформации не успевают восстановиться, поэтому колесу приходится как бы все время взбираться на небольшую горку, из-за чего появляется момент сил, тормозящий качение.
Рис. 12. Возникновение силы трения качения
Величина силы трения качения, как правило, во много раз меньше силы трения скольжения при прочих равных условиях. Благодаря этому качение является распространенным видом движения в технике.
При движении твердого тела в жидкости или газе на него действует со стороны среды сила сопротивления. Эта сила направлена против скорости тела и тормозит движение (рис. 13).
Главная особенность силы сопротивления заключается в том, что она возникает только при наличии относительного движения тела и окружающей его среды. То есть силы трения покоя в жидкостях и газах не существует. Это приводит к тому, что человек может сдвинуть даже тяжелую баржу, находящуюся на воде.
Рис. 13. Сила сопротивления, действующая на тело при движении в жидкости или газе
Модуль силы сопротивления зависит:
От размеров тела и его геометрической формы (рис. 14);
Состояния поверхности тела (рис. 15);
Свойства жидкости или газа (рис. 16);
Относительной скорости тела и окружающей его среды (рис. 17).
Рис. 14. Зависимости модуля силы сопротивления от геометрической формы
Рис. 15. Зависимости модуля силы сопротивления от состояния поверхности тела
Рис. 16. Зависимости модуля силы сопротивления от свойства жидкости или газа
Рис. 17. Зависимости модуля силы сопротивления от относительной скорости тела и окружающей его среды
На рисунке 18 показан график зависимости силы сопротивления от скорости тела. При относительной скорости, равной нулю, сила сопротивления не действует на тело. С увеличением относительной скорости сила сопротивления сначала растет медленно, а затем темп роста увеличивается.
Рис. 18. График зависимости силы сопротивления от скорости тела
При низких значениях относительной скорости сила сопротивления прямо пропорциональна величине этой скорости:
где – величина относительной скорости; – коэффициент сопротивления, который зависит от рода вязкой среды, формы и размеров тела.
Если относительная скорость имеет достаточно большое значение, то сила сопротивления становится пропорциональной квадрату этой скорости.
где – величина относительной скорости; – коэффициент сопротивления .
Выбор формулы для каждого конкретного случая определяется опытным путем.
Тело массой 600 г равномерно движется по горизонтальной поверхности (рис. 19). При этом к нему приложена сила, величина которой равна 1,2 Н. Определить величину коэффициента трения между телом и поверхностью.
Трения возникает при непосредственном соприкосновении тел, препятствуя их относительному движению, и всегда направлена вдоль поверхности соприкосновения.
Силы трения имеют электромагнитную природу, как и силы упругости. Трение между поверхностями двух твердых тел называют сухим трением. Трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой называют вязким трением.
Различают трение покоя , трение скольжения и трения качения .
Трение покоя - возникает не только при скольжении одной поверхности по другой, но и при попытках вызвать это скольжение. Трение покоя удерживает от соскальзывания находящиеся на движущейся ленте транспортера грузы, удерживает вбитые в доску гвозди и т. д.
Силой трения покоя называют силу, препятствующую возникновению движения одного тела относительно другого, всегда направленную против силы, приложенной извне параллельно поверхности соприкосновения, стремящейся сдвинуть предмет с места.
Чем больше сила, стремящаяся сдвинуть тело с места, тем больше сила трения покоя. Однако, для любых двух соприкасающихся тел она имеет некоторое максимальное значение (F тр.п.) max , больше которого она быть не может, и которая не зависит от площади соприкосновения поверхностей:
(F тр.п.) max = μ п N,
где μ п - коэффициент трения покоя, N - сила реакции опоры.
Максимальная сила трения покоя зависит от материалов тел и от качества обработки соприкасающихся поверхностей.
Трение скольжения . приложим к телу силу, превышающую максимальную силу трения покоя - тело сдвинется с места и начнет двигаться. Трение покоя сменится трением скольжения.
Сила трения скольжения также пропорциональна силе нормального давления и силе реакции опоры:
F тр = μN.
Трение качения . Если тело не скользит по поверхности другого тела, а, подобно колесу, катится, то трение, возникающее в месте их контакта, называют трением качения. Когда колесо катится по полотну дороги, оно все время вдавливается в него, поэтому перед ним постоянно оказывается бугорок, которых необходимо преодолеть. Этим и обусловлено трение качения. Трение качения тем меньше, чем тверже дорога.
Сила трения качения также пропорциональна силе реакции опоры:
F тр.кач = μ кач N,
где μ кач - коэффициент трения качения.
Поскольку μ кач << μ , при одинаковых нагрузках сила трения качения намного меньше силы трения скольжения.
Причинами возникновения силы трения являются шероховатость поверхностей соприкасающихся тел и межмолекулярное притяжение в местах контакта трущихся тел. В первом случае поверхности, кажущиеся гладкими, на самом деле имеют микроскопические неровности, которые при скольжении зацепляются друг за друга и мешают движению. Во втором случае притяжение проявляется даже при хорошо отполированных поверхностях.
На движущееся в жидкости или газе твердое тело действует сила сопротивления среды , направленная против скорости тела относительно среды и тормозящая движение.
Сила сопротивления среды появляется только во время движения тела в этой среде. Здесь нет ничего подобного силе трения покоя. Наоборот, предметы в воде сдвигать намного легче, чем на твердой поверхности.
1. Цель работы
Изучение явления сухого трения и экспериментальное определение коэффициентов трения покоя, трения скольжения и трения качения.
2. Содержание работы
Силы трения возникают между соприкасающимися телами или их частями как при относительном движении, так и при относительном покое. Трение называется внешним , если оно действует между различными соприкасающимися телами, не образующими единого тела (например, трение между бруском и наклонной плоскостью, на которой он лежит или с которой он соскальзывает). Если же трение проявляется между различными слоями жидкости или газа, скорости которых непрерывно меняются от слоя к слою, то трение называется внутренним . Силы трения направлены по касательной к трущимся поверхностями (или слоям), причём так, что они противодействуют перемещению этих поверхностей (слоёв).
Трение между поверхностями двух соприкасающихся твёрдых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки (смазки) называется сухим . Если соприкасающиеся тела движутся друг относительно друга, то различают трение скольжения и трение качения . Сухое трение возникает не только при скольжении одного тела по поверхности другого, но и при всякой попытке вызвать такое скольжение. В последнем случае трение называется трением покоя .
Трение между поверхностями твёрдого тела и окружающей его жидкой или газообразной средой, в которой оно движется, а также трение между частями такой среды, называется жидким или вязким .
Механизм возникновения трения покоя заключается в следующем: поверхность даже хорошо отполированного твёрдого тела имеет микровыступы, трещины, впадины. Заполнение этих выступов будет препятствовать относительному перемещению соприкасающихся тел.
На ряде участков расстояние между соприкасающимися телами может оказаться порядка радиуса действия молекулярных сил. Это приводит к слипанию тел на данных участках, что также препятствует их относительному перемещению.
Внедрению микровыступов и частичному слипанию поверхностей способствует сила нормального давления , прижимающая твёрдые тела друг к другу. Этой силой может служить сила тяжести или ее нормальная составляющая, а также любая другая сила, перпендикулярная поверхности соприкасающихся тел.
Когда на одно тело вдоль поверхности его соприкосновения с другим никакая сила не действует, то сила трения покоя равна нулю. По мере возрастания величины внешней силы будет возрастать и противоположно направленная ей сила трения покоя, так что сумма этих сил будет оставаться равной нулю, и тело не придёт в движение. Тело будет оставаться в покое до тех пор, пока прилагаемая к нему внешняя сила не превзойдёт по величине максимальной силы трения покоя. Внешняя сила, меньшая максимальной силы трения покоя, вызывает в основном упругие деформации микровыступов и областей, где действуют силы молекулярного сцепления.
Зависимость силы трения от величины внешней силы представлена на рис. 1. Участок I соответствует трению покоя. На участке II тело приходит в движение, и сила трения покоя переходит в силу трения скольжения.
Величина максимальной силы трения покоя Fтр не зависит от величины площади поверхности, вдоль которой тела соприкасаются, и пропорциональна силе N нормального давления, численно равной силе реакции опоры.
Fтр = μN . (1)
Безразмерный коэффициент пропорциональности μ называется коэффициентом трения покоя , он зависит от материала поверхностей, их микрогеометрического профиля и других факторов. Выражение (1) называется законом Амонтона .
Если сила, действующая на тело вдоль поверхности его соприкосновения с другим телом, больше предельного значения силы трения покоя, то тело приобретает ускорение и сила трения покоя переходит в силу трения скольжения . Сила трения скольжения зависит как от природы и состояния трущихся поверхностей, так и от относительной скорости тел. Вначале с возрастанием относительной скорости величина силы трения несколько уменьшается, а затем начинает расти. В случае, когда состояние поверхностей не изменяется (за счёт сглаживания поверхностей, нагрева и т.д.), сила трения скольжения оказывается практически не зависящей от скорости и равной максимальной силе трения покоя.
Трение скольжения возникает в результате пластических деформаций микровыступов и их частичного разрушения. Взаимное проскальзывание тел приводит к уменьшению зацеплений микровыступов и уменьшению прилипания поверхностей, в результате чего коэффициент трения скольжения меньше коэффициента трения покоя .
Поскольку сила трения скольжения направлена в сторону, противоположную скорости тела, то работа силы трения всегда отрицательна . Движение при наличии силы трения сопровождается диссипацией механической энергии, т.е. переходом её во внутреннюю энергию трущихся тел.
Если цилиндрическое (или шарообразное) тело катится по плоской или изогнутой поверхности, то между ними возникает сила трения качения . Возникновение этой силы возможно только в случае неупругих деформаций катящегося тела и поверхности (рис. 2,a).
Описание презентации по отдельным слайдам:
1 слайд
Описание слайда:
Силы трения между соприкасающимися повехностями твердых тел 10 класс Учитель физики Л.И. Сметанкин
2
слайд
Описание слайда:
Перед тем как показывать презентацию учащимся, внимательно изучите переходы анимаций в каждом слайде. Обратите внимание на использование «мышки» при работе с анимированными слайдами. !
3
слайд
Описание слайда:
Попробуйте сдвинуть пальцем лежащую на столе толстую книгу. Сначала мы остановимся на так называемом сухом трении, т.е. трении между поверхностями соприкасающихся твердых тел. Трение покоя Вы приложили к книге некоторую силу, направленную, скажем, вдоль поверхности стола, а книга остается в покое. Факт этот совершенно привычный, но, если вдуматься, достаточно странный и непонятный. Ведь что это значит? Значит, и сила трения настолько же возрастает. Вы с большей силой толкаете книгу, но она по-прежнему остается на месте. Книга будет оставаться на месте до тех пор, пока действующая на нее сила не достигнет определенного значения. Следовательно, между книгой и поверхностью стола возникает сила, направленная против той силы, с которой вы действуете на книгу, и в точности равная ей по модулю.
4
слайд
Описание слайда:
Силу трения, действующую между двумя телами, неподвижными относительно друг друга, называют силой трения покоя. Если на тело действует сила, параллельная поверхности, на которой оно находится и тело при этом остается неподвижным, то это означает, что на него действует сила трения покоя Fтр, равная по модулю и направленная в противоположную сторону силе. Следовательно, сила трения покоя определяется действующей на него силой Иначе говоря, когда ускорение тела равно нулю, сила трения равна по модулю и противоположна по направлению той силе, которая наряду с трением действует на тело параллельно поверхности его соприкосновения с другим телом. Наибольшее значение силы трения, при котором скольжение еще не наступает, называется максимальной силой трения покоя. Если действующая на покоящееся тело сила хотя бы немного превысит максимальную силу трения покоя, то тело начнет скользить. Если параллельно этой поверхности другие силы не действуют, то трение покоя будет равно нулю. Трение покоя
5
слайд
Описание слайда:
Если мы теперь снова измерим максимальную силу трения покоя, то увидим, что она увеличилась во столько раз, во сколько раз увеличилась сила, т.е. в 2 раза. Для определения максимальной силы трения покоя существует весьма простой, но не очень точный количественный закон. Нагрузим брусок гирей того же веса, что и сам брусок. При этом сила, с которой брусок действует на стол перпендикулярно поверхности стола, увеличится в 2 раза. Но сила согласно третьему закону Ньютона равна по модулю и противоположна по направлению силе нормальной реакции опоры, действующей на брусок со стороны стола. Следовательно, и сила увеличится в 2 раза. Трение покоя
6
слайд
Описание слайда:
Нагружая брусок различными гирями и измеряя каждый раз максимальную силу трения покоя, мы убедимся в том, что максимальное значение модуля силы трения покоя пропорционально модулю силы нормальной реакции опоры. Этот закон впервые установил экспериментально французский физик Кулон. Если обозначить модуль максимальной силы трения покоя через Fтр.макс, то можно записать: Fтр.макс = µF2 , где µ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения покоя. Коэффициент трения характеризует обе трущиеся поверхности и зависит не только от материала этих поверхностей, но и от качества их обработки. Коэффициент трения определяется экспериментально. Трение покоя
7
слайд
Описание слайда:
От площади соприкосновения тел максимальная сила трения покоя не зависит. Если положить брусок на меньшую грань, то Fтр.макс не изменится. Сила трения покоя меняется в пределах от нуля до максимального значения, равного µF2. Трение покоя
8
слайд
Описание слайда:
Это смещение продолжается до тех пор, пока микроскопические шероховатости поверхностей не расположатся относительно друг друга так, что, зацепляясь одна за другую, они приведут к появлению силы, уравновешивающей силу За счет чего может происходить изменение силы трения? Дело здесь вот в чем. При действии на тело некоторой силы оно слегка (незаметно для глаза) смещается. При увеличении силы тело опять чуть-чуть сдвинется так, что мельчайшие неровности поверхностей по-иному будут цепляться друг за друга, и сила трения возрастет. И лишь при Fтр.макс ни при каком взаимном расположении шероховатостей поверхности сила трения не в состоянии уравновесить силу, и начнется скольжение. Трение покоя
9
слайд
Описание слайда:
При ходьбе и беге на подошвы ног действует сила трения покоя, если только ноги не скользят. В давнее время, когда не очень хорошо представляли себе способность силы трения покоя принимать различные значения, сомневались, что паровоз сможет ехать по гладким рельсам. Думали, что трение, тормозящее ведомые колеса, будет равно силе трения, действующей на ведущие колеса. Такая же сила действует на ведущие колеса автомобиля (считаем ведущими задние колеса автомобиля). На ведомые колеса также действует сила трения покоя, но уже тормозящая движение, причем эта сила значительно меньше силы, действующей на ведущие колеса (иначе автомобиль не смог бы тронуться с места). Предлагали даже делать ведущие колеса зубчатыми и прокладывать для них специальные зубчатые рельсы. Трение покоя
10
слайд
Описание слайда:
При скольжении сила трения зависит не только от состояния трущихся поверхностей, но и от относительной скорости движения тел, причем эта зависимость от скорости является довольно сложной. Трение скольжения Опыт показывает, что часто (хотя и не всегда) в самом начале скольжения, когда относительная скорость еще мала, сила трения становится несколько меньше максимальной силы трения покоя. Вы, вероятно, замечали, что тяжелый предмет, например ящик, трудно сдвинуть с места, а потом двигать его становится легче. Это как раз и объясняется уменьшением силы трения при появлении скольжения с малой скоростью. Лишь затем, по мере увеличения скорости, она растет и начинает превосходить Fтр мак. покоя.
11
слайд
Описание слайда:
Зависимость модуля силы трения скольжения от модуля относительной скорости тел показана на рисунке При не слишком больших относительных скоростях движения сила трения скольжения мало отличается от максимальной силы трения покоя. Поэтому приближенно можно считать ее постоянной и равной максимальной силе трения покоя: Fтр ≈ Fтр. макс = µN Важная особенность силы трения скольжения состоит в том, что она всегда направлена противоположно относительной скорости соприкасающихся тел. vтела vтела
12
слайд
Описание слайда:
Силу трения скольжения можно уменьшить во много раз с помощью смазки - чаще всего тонкого слоя жидкости (обычно того или иного сорта минерального масла) - между трущимися поверхностями. Резюме Сила трения зависит от относительной скорости движения тел. В этом ее главное отличие от сил тяготения и упругости, зависящих только от расстояний. Ни одна современная машина, например двигатель автомобиля или трактора, не может работать без смазки. Специальная система смазки предусматривается при конструировании всех машин. Уменьшение силы трения Трение между слоями жидкости, прилегающими к твердым поверхностям, значительно меньше, чем между сухими поверхностями.
