Сила трения: вывод формулы силы трения через массу. Ускорение и сила трения


Движение тела под действием силы трения

Ускорение тела, возникающее вследствие силы трения

Известно, что сила трения скольжения направлена в сторону, противоположную направлению относительной скорости движения трущихся тел.

Отсюда следует, что ускорение, которое такая сила сообщает движущемуся телу, тоже направлено против относительной скорости. А это значит, что действие силы трения приводит к уменьшению абсолютного значения скорости тела относительно того тела, по которому оно скользит.

Если на тело, которое скользит по неподвижной поверхности, никакие силы, кроме силы трения не действуют, то оно, в конце концов, останавливается. Рассмотри этот часто встречающийся случай.

Представим себе, что перед движущимся поездом неожиданно появилось некоторое препятствие и машинист отключил двигатель и включил тормоз. Начиная с это момента, на поезд действует только сила трения, так как сила тяжести скомпенсирована реакцией рельсов, а сила сопротивления воздуха мала. Через некоторое время $t$ поезд, пройдя расстояние $l$ - тормозной путь, остановится. Найдем время $t$, нужное для остановки, и расстояние $l$, которое поезд пройдет за это время.

Под действием сила трения $\overline{F}_{mp} $поезд будет двигаться с ускорением, равным:

Выберем координатную ось $x$ так, чтобы ее положительное направление совпадало с направлением скорости движения поезда.

Рисунок 1.

Так как сила трения $\overline{F}_{mp} $направлена в противоположном направлении, ее проекция на ось х отрицательна. Отрицательна и проекция вектора ускорения на ось $x$. Поэтому если абсолютное значение силы трения равно $\left|\overline{F}_{mp} \right|$, то:

Но ускорение определяется также формулой:

где $v_{0} $- скорость поезда до начала торможения.

Время торможения при движении тела под действием силы трения

Так как нас интересует промежуток времени $t$ от начала торможения до остановки поезда, то конечная скорость $v=0$. Тогда:

Таким образом:

Получим выражения для времени торможения:

Нахождение пути, пройденного телом под действием силы трения

А теперь найдем тормозной путь $l$. Для этого воспользуемся формулой:

Так как $v=0$, то:

Так как $\overline{a}=-\frac{\left|\overline{F}_{mp} \right|}{m} $, получим:

Из этой формулы видно, что пройденный до остановки путь пропорционален квадрату скорости. Если увеличить скорость вдвое, то потребуется вчетверо больший путь для остановки.

Пример 1

С какой скоростью двигался автомобиль, если после выключения двигателя он прошел до остановки путь равный $80$ м? Коэффициент трения принять равным $0,25$.

Дано: $l=80$м, $\mu =0,25$.

Найти: $v$-?

Решение:

Воспользуемся раннее выведенными формулами для нахождения тормозного пути:

$l=\frac{mv_{0}^{2} }{2\overline{\left|F_{mp} \right|}} $. (1)

Так как $F_{mp} =\mu mg$, подставим в формулу (1) и получим:

$l=\frac{mv_{0}^{2} }{2\mu mg} $. (2)

Выразив из формулы (2) $v_{0} $найдем величину искомой скорости:

$v_{0} =\sqrt{2\mu gl} =20$м/с

Ответ: Скорость автомобиля до выключения двигателя $v_{0} =20$ м/с.

Пример 2

Сноубордист массой $80$ кг, имеющий в конце спуска скорость $20$ м/с, останавливается через $40$ с после окончания спуска. Определите силу трения и коэффициент трения.

Дано: $m=80$кг, $v_{0} =20$м/с, $t=40$с.

Найти: $F_{mp} $, $\mu $-?

Решение:

Уравнение движения сноубордиста будет иметь вид:

\[ma=F_{mp} .\]

Используя выражения для нахождения ускорения (конечная скорость $v=0$), получим:

\[a=-\frac{v_{0} }{t} .\]

Тогда:

$F_{mp} =ma=-m\frac{v_{0} }{t} =40H$.

Так как сила трения $\overline{F}_{mp} $равна $F_{mp} =\mu Bg$, находим коэффициент трения $\mu $:

\[\mu =\frac{F_{mp} }{mg} =0,05.\]

Ответ: $F_{mp} =40H$, $\mu =0,05$.

Пример 3

Сани массой $16$ кг перемещают по горизонтальной плоскости под действием силы $180 H$, направленной под углом $30^\circ$ к горизонтали. Коэффициент терния саней о плоскость $0,5$. Определить ускорения, с которым движутся сани.

Дано: $m=16$кг, $F=180 H$, $\alpha =30^\circ$, $\mu =0,5$.

Найти: $a$-?

Решение:

Рисунок 2.

Уравнение движения тела:

\[m\overline{a}=m\overline{g}+\overline{N}+\overline{F}+\overline{F}_{mp} .\]

Выберем направление осей $x$ и $y$ и спроецируем на них силы и ускорение:

\[\begin{array}{l} {ma=F\cos \alpha -F_{mp} } \\ {0=-Bg+N+F\sin \alpha } \end{array}\]

Поскольку $F_{mp} =\mu N$, а из второго уравнения $N=mg-F\sin \alpha $, то $F_{mp} =\mu (mg-F\sin \alpha )$. Тогда из первого уравнения ускорение:

$a=\frac{1}{m} [F\cos \alpha -\mu (mg-F\sin \alpha )]\approx 7,6м/с^2$

Ответ: $a$=$7,6м/с^2$

spravochnick.ru

Сила трения: вывод формулы силы трения через массу

Одной из наиболее интересных тем школьной программы по физике является «сила трения». Она достаточно доступна в понимании учащихся и быстро поддается осмыслению, так как её наличие можно проверить, не отходя от парты.

Стоит начать с определения самого понятия. Сила трения — есть итог сопротивления движению физических тел. Иными словами, она появляется, когда происходит относительное перемещение между взаимодействующими телами.

Различают по его области:

  • Внешнее — зарождается при непосредственном движении действующих друг на друга тел,
  • Внутреннее — возникает между частями одного предмета.

Основная формула силы трения

Ввиду отсутствия в природе абсолютно твердых тел сила трения существует постоянно, и его наличие разъясняют действием даже микроскопически шероховатых поверхностей между собой. Результат при умножении силы реакции опоры на коэффициент трения есть:

F тр.= N * k

В СИ (международная система единиц) измеряется F тр. в Ньютонах (Н).

Нужно знать, что противоположно ходу движения направлена F тр., а N против силы тяжести и перпендикулярно поверхности. Безразмерная величина k не зависит от площади соприкасания тел, а зависит от степени шероховатости и типа материалов трущихся тел.

Необходимо иметь полное представление о физических величинах, участвующих в основной формуле. В первую очередь, F тр. это векторная величина, то есть она имеет направление. Следовательно, нужно знать направление и точку ее приложения. Приложена она в области соприкосновения поверхностей, а направлена против движения объекта.

Из названия нормальной реакции опоры понятно, что она показывает реакцию самой опоры, а возникает на молекулярном уровне. Направлена против силы, с которой предмет давит на поверхность.

Коэффициент пропорциональности k является связующим звеном между F тр. и силой нормальной реакции. Если k соответствует наибольшей F тр. пок., то в большинстве своих случаев он больше коэффициента скольжения.

Коротко о типах трения

Отличают такие разновидности, как:

  1. покоя,
  2. скольжения,
  3. качения.

Прилагая минимум F тр. пок., объект начнет свое движение. Она не определяется достаточно точно и зависит от приложенного усилия. Поразительно, но именно оно разгоняет тела. F тр. пок. не исчезает бесследно, после того, как привела в движение предмет, она превращается в F тр. , а, следовательно, не может бесконечно увеличиваться — есть верхний максимальный предел, равный по величине F тр. скольжения.

В названии «сила трения качения» скрыта суть самого явления. Она намного меньше трения скольжения и возникает во время качения одного тела по-другому, скорости их соприкосновения в точках касания одинаковы по направлению и значению.

Типы трения скольжения различают по физике взаимодействия:

  1. Вязкое. Появляется, когда взаимодействующие тела разделены между собой слоем жидкости, газа или иного смазочного материала различного размера. F тр. пок. отсутствует. Абсолютная величина этой силы сопротивления зависит от скорости: прямо пропорциональна скорости при малых скоростях движение и прямо пропорциональна ее квадрату при больших.
  2. Сухое. Дополнительным смазочным материалом соприкасающиеся тела не разделены. Может возникать даже при отсутствии относительного движения предметов. Особый пример — F тр. покоя . Существует вид сухого взаимодействия с сухой смазкой, как пример, со слоем графитового порошка.
  3. Граничное. Одновременное содержание и слоев, и частей отличных по природе.
  4. Смешанное. Имеются участки частичной смазки.

Формула выглядит следующим образом:

F тр. скольж. = μN .

Использовались такие физические величины, как, μ — коэффициент трения скольжения, N — сила реакции опоры.

Также можно вывести формулу через массу:

F <> μmg,

где N = mg, g — свободного падения.

Формула коэффициента пропорциональности μ

В формуле, описывающей процесс приложения F тр. к любому телу, принимает участие коэффициент пропорциональности. Он выражается исключительно числами и почти при любых обстоятельствах меньше единицы. Это величина, зависящая от материала взаимодействующих объектов и от степени обработки их поверхностей.

μ =FN .

Данную формулу можно вывести через массу и ускорение свободного падения:

μ =Fmg, где замена N происходит ранее описанным способом.

Трение повинуется третьему закону Ньютона, так как является разновидностью взаимодействия. А конкретно, если F тр. действует на один из объектов, то такая же в точности сила по модулю, но устремленная противоположно оказывает воздействие и на второе тело. Все силы противодействия возникают как результат молекулярного и атомного взаимодействия трущихся тел.

В заключение приведены слова Шарля Гийом (1861−1938): «Вообразим, что трение может быть устранено совершенно. Тогда никакие тела, будь они величиною с каменную глыбу или малы, как песчинка, никогда не удержатся одно на другом: все будет скользить и катиться, пока не окажется на одном уровне. Не будь трения, Земля представляла бы шар без неровностей, подобно жидкому».

Видео

Это видео поможет вам понять, что такое сила трения.

liveposts.ru

Формула силы трения

   

– сила трения, – коэффициент трения, – сила реакции опоры.

Единица измерения силы – Н (ньютон).

Существование силы трения объясняется взаимодействием неровностей на поверхностях тел. Она существует всегда, так как абсолютно гладких тел не бывает.

Сила трения всегда направлена в сторону, противоположную направлению движения, а сила реакции опоры – перпендикулярно поверхности, в сторону, противоположную силе тяжести. зависит от взаимодействующих материалов и гладкости трущихся поверхностей, но не зависит от площади соприкосновения трущихся тел. Это безразмерная величина.

Различают силу трения покоя и силу трения движения. Сила трения покоя – минимальная сила, которую нужно приложить для того, чтобы тело начало движение. Сила трения движения – сила, препятствующая движению, если движущая сила станет меньше её, то тело остановится. Если движущая сила равна силе трения, то тело будет двигаться прямолинейно и равномерно.

Примеры решения задач по теме «Сила трения»

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

ru.solverbook.com

Задача 5: сила трения и график зависимости ускорения от силы

К бруску массой 10 кг, находящемуся на горизонтальной поверхности, приложена сила. Учитывая, что коэффициент трения равен 0,7, определите:
  1. силу трения для случая, если F = 50 Н и направлена горизонтально;
  2. силу трения для случая, если F = 80 Н и направлена горизонтально;
  3. построить график зависимости ускорения бруска от горизонтально приложенной силы;
  4. с какой минимальной силой нужно тянуть за веревку, чтобы равномерно перемещать брусок?

Решение:

1. Определим максимальную силу трения покоя. Она будет равна:

μmg = 0,7×10×10 = 70 (H).
Приложенной силы будет недостаточно для того, чтобы сдвинуть тело. По третьему закону Ньютона F = Fmp= 50 H.

2. В случае приложенной силы F = 80 Н тело приобретает ускорение, равное:

a = F − Fmp= 1 м/с2.
m

3. Для построения зависимости a(F) воспользуемся функцией:

a = F − Fmp= F − μmg=F− μg.     (1)
mmm
Из уравнения (1) можно сделать вывод, что зависимость ускорения от горизонтально приложенной силы линейная.При F = 0   a = −μg, а при a = 0   F = μmg. Построим график зависимости a(F), см. рисунок.

4. Запишем уравнение движения санок в проекциях на горизонтальное и вертикальное направления:

и
−mg + N + F sin α = 0,
где α — угол между веревкой и горизонтом, а сила трения равна Fmp= μN. Из записанных уравнений найдем силу натяжения веревки:
F = μmg.     (2)
cos α + μ • sin α

Ее значение зависит от угла α. Проанализируем эту зависимость. Тело будет двигаться равномерно, если горизонтальная составляющая силы натяжения веревки Fcos α равна силе трения Fmp. Поэтому для обеспечения минимальной силы F веревку, казалось бы, надо тянуть горизонтально, т. е. под углом α = 0°. Но с другой стороны, желательно, чтобы угол α был побольше, так как в этом случае за счет увеличения вертикальной составляющей Fsin α, стремящейся приподнять санки, уменьшается их давление на опору, и соответственно уменьшается сила трения.

Таким образом, на результат влияют два конкурирующих фактора. Для выяснения, при каких α превалирует первый из них, а при каких — второй, представим зависимость F = F(α) в виде графика. Из него видно, что исследуемая функция при α = αо имеет минимум. Для нахождения значений αо и Fmin воспользуемся аналитическим методом. Функция (2) минимальна, когда знаменатель максимален. Обозначим знаменатель буквой y. Найдем производную y' по α и приравняем ее к нулю:

y' = −sin α + μ cos α = 0.
Отсюда, обозначив соответствующий угол как αо, получим: и Тогда:
Fmin = μmg.
cos αo + μsin αo
Используя тригонометрические соотношения и предыдущее равенство, найдем:
cos αo = 1= ,
√(tg2αo + 1)√(μ2 + 1)
sin αo =tg αo=μ .
√(tg2αo + 1)√(μ2 + 1)
Следовательно:
Fmin=μmg = 56 H.
√(μ2 + 1)

На правах рекламы: Недвижимость, втб24

Далее: зависимость потока воды от температуры   [тема: графическое решение задач по физике]

www.afportal.ru

Силы трения | Физика

1. Сила трения скольжения

Поставим опыт

Толкнем лежащий на столе брусок, сообщив ему некоторую начальную скорость. Мы увидим, что брусок скользит по столу и его скорость уменьшается до полной остановки (на рисунке 17.1 показаны последовательные положения бруска через равные промежутки времени). Как вы уже знаете из курса физики основной школы, тормозит брусок силы трения скольжения, действующая на него со стороны стола.Силы трения скольжения действуют на каждое из соприкасающихся тел, когда они движутся друг относительно друга.

Эти силы действуют на каждое из соприкасающихся тел (рис. 17.2). Они равны по модулю и противоположны по направлению, потому что связаны третьим законом Ньютона.

Когда брусок скользит по столу, мы не замечаем силу трения скольжения, действующую на стол со стороны бруска, потому что стол прикреплен к полу (или на стол со стороны пола действует довольно большая сила трения покоя, речь о которой пойдет далее).

Если же толкнуть брусок, лежащий на тележке, то под действием силы трения скольжения, действующей на тележку со стороны бруска, тележка станет двигаться с ускорением, а скорость бруска относительно тележки будет уменьшаться.

? 1. Во сколько раз ускорение бруска относительно стола в этом опыте больше, чем ускорение тележки относительно стола, если масса бруска 200 г, а масса тележки 600 г? Трением между тележкой и столом можно пренебречь.

Силы трения скольжения направлены вдоль поверхности соприкосновения тел. Действующая на каждое тело сила трения направлена противоположно скорости этого тела относительно другого тела.

Силы трения скольжения обусловлены главным образом зацеплением и разрушением неровностей соприкасающихся тел (эти неровности на рисунке 17.3 для наглядности преувеличены). Поэтому обычно чем более гладкие поверхности соприкасающихся тел, тем меньше силы трения между ними.

Однако если сделать соприкасающиеся поверхности очень гладкими (например, отшлифовать их), то сила трения скольжения может увеличиться вследствие действия сил межмолекулярного притяжения.

Выясним, от чего зависит сила трения скольжения.

От чего зависит сила трения скольжения?

Поставим опытБудем с помощью динамометра тянуть брусок по столу с постоянной скоростью (рис. 17.4, а), прикладывая к нему горизонтально направленную силу упр.

При движении с постоянной скоростью ускорение бруска равно нулю. Следовательно, силу трения скольжения, действующую на брусок со стороны стола, уравновешивает сила упругости, действующая на брусок со стороны динамометра. Значит, эти силы равны по модулю, то есть динамометр показывает модуль силы трения.

Повторим опыт, положив на брусок другой такой же брусок (рис. 17.4, б). Мы увидим, что сила трения скольжения увеличилась в 2 раза. Заметим теперь, что в этом опыте (по сравнению с опытом с одним бруском) сила нормальной реакции тоже увеличилась в 2 раза.

Изменяя силу нормальной реакции, можно убедиться, что модуль силы трения скольжения Fтр пропорционален модулю силы нормальной реакции N:

Fтр.ск = μN.     (1)

Как показывает опыт, сила трения скольжения практически не зависит от относительной скорости движения соприкасающихся тел и от площади их соприкосновения.

Коэффициент пропорциональности μ называют коэффициентом трения. Его определяют из опыта (см. лабораторную работу 4). Он зависит от материала и качества обработки соприкасающихся поверхностей. На форзаце задачника (под обложкой) приведены приближенные значения коэффициента трения для некоторых видов поверхностей.

Коэффициент трения шин по мокрому асфальту или по льду в несколько роз меньше коэффициента трения шин по сухому асфальту. Поэтому тормозной путь автомобиля значительно увеличивается во время дождя или гололеда. О скользкой дороге водителей предупреждает дорожный знак (рис. 17.5).

? 2. Тело массой m движется по горизонтальной поверхности. Коэффициент трения между телом и поверхностью μ.а) Чему равна сила трения скольжения?б) С каким по модулю ускорением движется тело, если на него действуют только сила тяжести, сила нормальной реакции и сила трения скольжения?

? 3. Лежащему на столе бруску сообщили скорость 2 м/с, и он прошел до остановки 1 м (тормозной путь). Чему равен коэффициент трения между бруском и столом?

? 4. Можно приближенно считать, что на автомобиль при торможении действует сила трения скольжения. Оцените, чему равен тормозной путь автомобиля на сухом асфальте и на льду при начальной скорости 60 км/ч; 120 км/ч. Сравните найденные значения с длиной классной комнаты.

Полученные ответы удивят вас. Наверное, вы станете осторожнее на дороге во время дождя и особенно гололеда.

2. Сила трения покоя

Поставим опыт Попробуйте сдвинуть с места шкаф (рис. 17.6). Он будет оставаться в покое, даже если прикладывать к нему довольно большую силу.

Какая же сила уравновешивает горизонтально направленную силу, приложенную вами к шкафу? Это сила трения покоя, действующая на шкаф со стороны пола.

Силы трения покоя возникают при попытке сдвинуть одно из соприкасающихся тел относительно другого в том случае, когда тела остаются в покое друг относительно друга. Эти силы препятствуют относительному движению тел.

? 5. Действует ли сила трения покоя на пол со стороны шкафа (рис. 17.6)?

Причины возникновения силы трения покоя сходны с причинами возникновения силы трения скольжения: наличие неровностей на соприкасающихся поверхностях тел и действие сил межмолекулярного притяжения.

Будем постепенно увеличивать приложенную к шкафу горизонтальную силу. При достижении некоторого ее значения шкаф сдвинется с места н начнет скользить по полу. Следовательно, модуль силы трения покоя Fтр.пок не превышает некоторого предельного значения, называемого максимальной силой трения покоя.

Опыт показывает, что максимальная сила трения покоя немного больше силы трения скольжения. Однако для упрощения решения школьных задач принимают, что максимальная сила трения покоя равна силе трения скольжения:

Fтр.пок ≤ μN.      (2)

Если тело покоится, то сила трения покоя тр.пок уравновешивает силу , направленную вдоль поверхности соприкосновения тел и стремящуюся сдвинуть тело.Следовательно, в этом случае

Fтр.пок = F.     (3)

Обратите внимание: сила трения покоя удовлетворяет двум соотношениям – неравенству (4) и равенству (5). Из них следует неравенство для силы , которая не может сдвинуть тело:

F ≤ μN.     (4)

Если же F > μN, то тело начнет скользить, и на него будет действовать сала трения скольжения. В таком случае

Fтр = Fтр.ск = μN.

Соотношения (3) и (5) иллюстрирует график зависимости силы трения Fтр от приложенной к телу силы F (рис. 17.7).

? 6. К лежащему на столе бруску массой 1 кг прикладывают горизонтальную силу, равную по модулю F. Коэффициент трения между бруском и столом равен 0,3. Чему равна действующая на брусок со стороны стола сила трения, если F = 2 Н? F = 5 Н?

? 7. Тягач тянет по горизонтали связку бревен массой 10 т с силой 40 кН. Чему равно ускорение связки, если коэффициент трения между бревнами и дорогой равен 0,3? 0,5?

? 8. Находящийся на столе брусок массой 1 кг тянут горизонтальной пружиной жесткостью 100 Н/м. Коэффициент трения 0,3. Каково удлинение x пружины, если брусок покоится? движется со скоростью 0,5 м/с?

Может ли сила трение быть движущей силой?

Делая шаг, человек толкает дорогу назад, действуя на нее силой трения покоя тр1: ведь подошва во время толчка покоится относительно дороги (на это иногда указывает четкий отпечаток подошвы) (рис. 17.8, а). Согласно третьему закону Ньютона, со стороны дороги на человека действует такая же по модулю сила трения покоя тр2, направленная вперед.Сила трения покоя разгоняет и автомобиль (рис. 17.8, б). Когда колесо катится без проскальзывания, его нижняя точка покоится относительно дороги. Ведущее колесо автомобиля (приводимое во вращение двигателем) толкает дорогу назад, действуя на нее силой трения покоя тр1. Согласно третьему закону Ньютона, дорога при атом толкает колесо (а вместе с ним и автомобиль) вперед силой трения покоя тр2. Именно эту силу и называют часто силой тяги.

? 9. С какой целью локомотивы (электровозы и тепловозы) делают очень массивными?

? 10. Коэффициент трения между шинами ведущих колес автомобиля и дорогой равен 0,5. Считайте, что сопротивлением воздуха можно пренебречь.а) С каким максимально возможным ускорением может двигаться автомобиль, если все его колеса – ведущие?б) Увеличилось бы или уменьшилось максимально возможное ускорение автомобиля, если ведущими были бы только передние или только задние колеса? Обоснуйте свой ответ.

Подсказки. Ускорение автомобиля обусловлено действием силы трения покоя со стороны дороги.

Дополнительные вопросы и задания

11. На рисунке 17.9 приведены графики зависимости силы трения скольжения от силы нормальной реакции при движении по столу трех разных брусков. Между каким бруском и столом коэффициент трения наибольший? Чему он равен?

12. На столе лежит стопка из четырех одинаковых книг массой 500 г каждая (рис. 17.10). Коэффициент трения между обложками книг равен 0,4. Какую горизонтально направленную силу надо приложить, чтобы, придерживая остальные книги:а) сдвинуть книгу 4?б) сдвинуть книги 3 и 4 вместе?в) вытащить книгу 3?г) вытащить книгу 2?

13. Оцените, до какой скорости может разогнаться за 2 с автомобиль на мокром асфальте. Все его колеса ведущие.

phscs.ru

Находим силу трения. Формула силы трения

Трение – явление, с которым мы сталкиваемся в обыденной жизни постоянно. Определить, трение вредно или полезно, невозможно. Сделать даже шаг на скользком льду представляется тяжелым занятием, на шероховатой поверхности асфальта прогулка доставляет удовольствие. Детали автомобилей без смазки изнашиваются значительно быстрее.

Изучение трения, знание его основных свойств позволяет человеку использовать его.

Сила трения в физике

Сила, возникающая при движении или попытке движения одного тела по поверхности другого, направленная против направления движения, приложенная к движущимся телам, названа силой трения. Модуль силы трения, формула которой зависит от многих параметров, меняется в зависимости от вида сопротивления.

Отличают следующие виды трения:

• покоя;

• скольжения;

• качения.

Любая попытка сдвинуть с места тяжелый предмет (шкаф, камень) приводит к напряжению сил человека. При этом в движение предмет привести получается не всегда. Мешает этому трение покоя.

Состояние покоя

Расчетная формула силы трения покоя не позволяет определить ее достаточно точно. В силу действия третьего закона Ньютона величина силы сопротивления покоя зависит от приложенного усилия.

При возрастании усилия растет и сила трения.

0 < Fтр.покоя < Fmax

Трение покоя не позволяет вбитым в дерево гвоздям выпадать; пуговицы, пришитые нитками, прочно удерживаются на своем месте. Интересно, что шагать человеку позволяет именно сопротивление покоя. Причем направлено оно по ходу движения человека, что противоречит общему положению вещей.

Явление скольжения

При возрастании внешней силы, движущей тело, до значения наибольшей силы трения покоя оно приходит в движение. Сила трения скольжения рассматривается в процессе скольжения одного тела по поверхности другого. Ее значение зависит от свойств взаимодействующих поверхностей и силы вертикального действия на поверхность.

Расчетная формула силы трения скольжения: F=μР, где μ-коэффициент пропорциональности (трения скольжения), Р – сила вертикального (нормального) давления.

Одна из управляющих движением сил - сила трения скольжения, формула которой записывается с использованием силы реакции опоры. Вследствие выполнения третьего закона Ньютона силы нормального давления и реакции опоры одинаковы по величине и противоположны по направлению: Р = N.

Перед тем как найти силу трения, формула которой приобретает иной вид (F=μ N), определяют силу реакции.

Коэффициент сопротивления при скольжении вводится экспериментально для двух трущихся поверхностей, зависит от качества их обработки и материала.

Таблица. Значение коэффициента сопротивления для различных поверхностей

№ пп

Взаимодействующие поверхности

Значение коэффициента трения скольжения

1

Сталь+лед

0,027

2

Дуб+дуб

0,54

3

Кожа+чугун

0,28

4

Бронза+железо

0,19

5

Бронза+чугун

0,16

6

Сталь+сталь

0,15

Наибольшая сила трения покоя, формула которой была записана выше, может быть определена так же, как сила трения скольжения.

Это становится важным при решении задач на определение силы движущего сопротивления. К примеру, книга, которую движут рукой, прижатой сверху, скользит под действием силы сопротивления покоя, возникающей между рукой и книгой. Величина сопротивления зависит от значения силы вертикального давления на книгу.

Явление качения

Переход наших предков от волокуш к колесницам считается революционным. Изобретение колеса – величайшее изобретение человечества. Трение качения, возникающее при движении колеса по поверхности, значительно уступает по величине сопротивлению скольжения.

Возникновение сил трения качения сопряжено с силами нормального давления колеса на поверхность, имеет природу, отличающую его от скольжения. Вследствие незначительной деформации колеса возникают разные по величине силы давления в центре образовавшейся площадки и по ее краям. Эта разница сил и определяет возникновение сопротивления при качении.

Расчетная формула силы трения качения обыкновенно берется аналогично процессу скольжения. Различие видно исключительно в значениях коэффициента сопротивления.

Природа сопротивления

При изменении шероховатости трущихся поверхностей меняется и значение силы трения. При большом увеличении две соприкасающиеся поверхности выглядят как неровности с острыми пиками. При наложении именно выступающими частями тела соприкасаются друг с другом. Общая площадь соприкосновения незначительна. При движении или попытке движения тел «пики» создают сопротивление. Величина силы трения не зависит от площади поверхностей соприкосновения.

Представляется, что две идеально гладкие поверхности должны не испытывать сопротивления абсолютно. На практике сила трения в этом случае максимальна. Объясняется это несоответствие природой возникновения сил. Это электромагнитные силы, действующие между атомами взаимодействующих тел.

Механические процессы, не сопровождающиеся трением в природе, невозможны, ведь возможности «отключить» электрическое взаимодействие заряженных тел нет. Независимость сил сопротивления от взаимного положения тел позволяет назвать их непотенциальными.

Интересно, что сила трения, формула которой меняется в зависимости от скорости движения взаимодействующих тел, пропорциональна квадрату соответствующей скорости. К такой силе относится сила вязкого сопротивления в жидкости.

Движение в жидкости и газе

Перемещение твердого тела в жидкости или газе, жидкости вблизи твердой поверхности сопровождается вязким сопротивлением. Его возникновение связывают с взаимодействием слоев жидкости, увлекаемых твердым телом в процессе движения. Разная скорость слоев – источник вязкого трения. Особенность этого явления – отсутствие жидкого трения покоя. Независимо от величины внешнего воздействия тело приходит в движение, находясь в жидкости.

В зависимости от быстроты перемещения сила сопротивления определяется скоростью движения, формой движущегося тела и вязкостью жидкости. Движение в воде и масле одного и того же тела сопровождается различным по величие сопротивлением.

Для небольших скоростей: F = kv, где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от линейных размеров тела и свойств среды, v – скорость тела.

Температура жидкости также влияет на трение в ней. В морозную погоду автомобиль разогревают для того, чтобы масло нагрелось (его вязкость уменьшается) и способствовало уменьшению разрушения соприкасающихся деталей двигателя.

Увеличение скорости движения

Значительное увеличение скорости тела может вызвать появление турбулентных потоков, при этом сопротивление резко возрастает. Значение имеют: квадрат скорости движения, плотность среды и площадь поверхности тела. Формула силы трения приобретает иной вид:

F = kv2, где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от формы тела и свойств среды, v – скорость тела.

Если телу придать обтекаемую форму, турбулентность можно уменьшить. Форма тела дельфинов и китов – прекрасный пример законов природы, влияющих на скорость животных.

Энергетический подход

Совершить работу по перемещению тела препятствует сопротивление среды. При использовании закона сохранения энергии говорят, что изменение механической энергии равно работе сил трения.

Работа силы рассчитывается по формуле: A = Fscosα, где F – сила, под действием которой тело перемещается на расстояние s, α – угол между направлениями силы и перемещения.

Очевидно, что сила сопротивления противоположна перемещению тела, откуда cosα = -1. Работа силы трения, формула которой имеет вид Aтр = - Fs, величина отрицательная. При этом механическая энергия превращается во внутреннюю (деформация, нагревание).

fb.ru

Сила трения - особенности и виды

Сила трения (Fтр.) — это сила, возникающая при контакте поверхностей двух тел и препятствующая их относительному перемещению. Она появляется за счёт электромагнитных сил, возникающих атомами и молекулами в месте контакта этих двух объектов.

Чтобы остановить движущийся объект, сила должна действовать в противоположную по отношению к направлению движения сторону. Например, если толкнуть книгу через стол, то она начнёт движение. Сила, с которой вы воздействовали на книгу, будет перемещать её. Книга скользит, затем замедляется и останавливается из-за влияния силы трения.

Особенности сил трения

Трение, о котором говорилось выше, проявляющееся при движении объектов называют внешним или сухим. Но оно может существовать и между частями или слоями одного объекта (жидкого или газообразного), такой вид называют внутренним.Главной особенностью назовём зависимость трения от скорости относительного движения тел.Существуют и другие характерные особенности:

  • возникновение при контакте двух движущихся тел поверхностями;
  • её действие параллельно области соприкосновения;
  • направлена противоположно вектору скорости тела;
  • зависит от качества поверхностей (гладкие или шероховатые), взаимодействующих объектов;
  • форма или размер объекта, движущегося в газе или жидкости, влияют на величину силы трения.

Виды трения

Выделяют несколько видов. Рассмотрим их различия. На книгу, скользящую по столу, действует трение скольжения.

Сила трения скольжения

 

, где N — сила реакции опоры.

 

Обратите внимание на некоторые ситуации:

  1. Результирующая внешних сил, действующая на тело направлена параллельно поверхности земли, то .
  2. Если результирующая внешних сил направлена под углом α к поверхности, то 
  3. Тело затаскивают по наклонной плоскости, расположенной под углом α к горизонту, тогда  .

Если человек едет на велосипеде, то трение, возникающее во время контакта колеса с дорогой — трение качения. Такой вид силы значительно меньше по величине силы трения скольжения.

Сила трения качения

Существенно меньшие значения величины такого вида силы используют люди, используя колесо, ролики и шариковые подшипники в различных движущихся частях устройств.

Шарль Огюстен Кулон в своей работе по теории трения предложил вычислять силу трения качения следующим образом:

где λ — коэффициент трения качения, R — радиус ролика или колеса, P — вес тела.Представьте себе ситуацию, в которой человек пытается передвинуть с места на место диван. Человек воздействует на диван некоторой силой, но не может его сдвинуть. Это происходит потому, что диван не ускоряется. То есть, результат действия на диван внешних сил равен нулю. Следовательно силу человека компенсирует сила, равная по величине, но направленная в противоположную сторону. Это сила трения покоя.

Сила трения покоя

F тр. п. действует в ответ на силы, стремящиеся вызвать движение стационарного объекта. Если на неподвижный объект нет внешнего воздействия, то величина этой силы равна нулю. Если внешнее воздействие появляется (F), то сила трения покоя возрастает до максимума, а затем тело начинает движение. Величина силы трения скольжения практически совпадает с максимумом силы трения покоя.

,μ — коэффициент трения.Смазка, чаще всего в виде тонкого слоя жидкости, уменьшает трение.Жидкости или газы — это особые среды, в которых тоже проявляется данный вид сил. В этих средах трение проявляется только во время перемещения объекта. Нельзя говорить о силе трения покоя в данных средах.

Сила трения в жидкостях и газах

Такой вид силы называют силой сопротивления среды. Она замедляет движение объекта. Более обтекаемая форма объекта влияет на величину силы сопротивления — она значительно уменьшается. Поэтому в судостроении используются обтекаемые формы корпусов кораблей или подводных лодок.Сила сопротивления среды зависит от:

  • геометрических размеров и формы объекта;
  • вязкости жидкой или газообразной среды;
  • состояния поверхности объекта;
  • скорости объекта относительно той среды, в которой он находится.

fizikatyt.ru