Сила трения: вывод формулы силы трения через массу

Если контакт происходит между твердым телом и жидкостью

В том случае, если происходит соприкосновение твердого тела с жидкостью (или некоторым объемом газа), мы можем говорить о возникновении силы так называемого вязкого трения. Она, конечно же, численно будет значительно меньше, чем сила сухого трения. Но направление ее (вектор действия) сохраняется тем же. В случае вязкого трения о покое говорить не приходится.

Связана соответствующая сила со скоростью тела. Если скорость маленькая, то сила будет пропорциональна скорости. Если высокая, то она будет пропорциональна уже квадрату скорости. Коэффициент пропорциональности будет неразрывно связан с тем, какую форму имеют тела, между которыми происходит соприкосновение.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. При измерении коэффициента трения брусок перемещали но горизонтальной поверхности стола и получили значение силы трения ​\( F_1 \)​. Затем на брусок положили груз, масса которого в 2 раза больше массы бруска, и получили значение силы трения \( F_2 \). При этом сила трения \( F_2 \)

1) равна \( F_1 \) 2) в 2 раза больше \( F_1 \) 3) в 3 раза больше \( F_1 \) 4) в 2 раза меньше \( F_1 \)

2. В таблице приведены результаты измерений силы трения и силы нормального давления при исследовании зависимости между этими величинами.

Закономерность ​\( \mu=N/F_{тр} \)​ выполняется для значений силы нормального давления

1) только от 0,4 Н до 2,0 Н 2) только от 0,4 Н до 3 Н 3) только от 0,4 Н до 4,5 Н 4) только от 2,0 Н до 4,5 Н

3. При измерении силы трения брусок перемещали по горизонтальной поверхности стола и получили значение силы трения \( F_1 \). Затем брусок перемещали, положив его на стол гранью, площадь которой в 2 раза больше, чем в первом случае, и получили значение силы трения \( F_2 \). Сила трения \( F_2 \)

1) равна \( F_1 \) 2) в 2 раза больше \( F_1 \) 3) в 2 раза меньше \( F_1 \) 4) в 4 раза меньше \( F_1 \)

4. Два деревянных бруска массой ​\( m_1 \)​ и \( m_2 \) скользят по горизонтальной одинаково обработанной поверхности стола. На бруски действует сила трения скольжения \( F_1 \) и \( F_1 \) соответственно. При этом известно, что ​\( F_2=2F_1 \)​. Следовательно, ​\( m_1 \)​

1) \( m_1 \) 2) \( 2m_2 \) 3) \( m_2/2 \) 4) ответ зависит от значения коэффициента трения

5. На рисунке приведены графики зависимости силы трения от силы нормального давления. Сравните значения коэффициента трения.

1) ​\( \mu_2=\mu_1 \)​ 2) ​\( \mu_2>\mu_1 \)​ 3) \( \mu_2<\mu_1 \) 4) \( \mu_2>>\mu_1 \)

6. Учащийся выполнял эксперимент по измерению силы трения, действующей на два тела, движущихся по горизонтальным поверхностям. Масса первого тела ​\( m_1 \)​, масса второго тела ​\( m_2 \)​, причем ​\( m_1 =2m_2 \)​. Он получил результаты, представленные на рисунке в виде диаграммы. Какой вывод можно сделать из анализа диаграммы?

1) сила нормального давления ​\( N_2=2N_1 \)​ 2) сила нормального давления \( N_1=N_2 \) 3) коэффициент трения ​\( \mu_1=\mu_2 \)​ 4) коэффициент трения ​\( \mu_2=2\mu_1 \)​

7. Два автомобиля одинаковой массы движутся один но асфальтовой дороге, а другой — по грунтовой. На диаграмме приведены значения силы трения для этих автомобилей. Сравните значения коэффициента трения (​\( \mu_1 \)​ и \( \mu_2 \)).

1) ​\( \mu_2=0.3\mu_1 \)​ 2) \( \mu_2=\mu_1 \) 3) \( \mu_2=1.5\mu_1 \) 4) \( \mu_2=3\mu_1 \)

8. На рисунке приведён график зависимости силы трения от силы нормального давления. Чему равен коэффициент трения?

1) 0,5 2) 0,2 3) 2 4) 5

9. Санки весом 3 кг скользят по горизонтальной дороге. Сила трения скольжения их полозьев о дорогу 6 Н. Чему равен коэффициент трения скольжения полозьев о дорогу?

1) 0,2 2) 0,5 3) 2 4) 5

10. При движении тела массой 40 кг по горизонтальной поверхности действует сила трения скольжения 10 Н. Какой станет сила трения скольжения при уменьшении массы тела в 5 раз?

1) 1 Н 2) 2 Н 3) 4 Н 4) 5 Н

11. Установите соответствие между физической величиной (левый столбец) и характером её изменения (правый столбец) при увеличении массы бруска, движущегося по столу. В ответе запишите подряд номера выбранных ответов

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА A. Сила трения Б. Коэффициент трения B. Сила нормального давления

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ 1) уменьшается 2) увеличивается 3) не изменяется

12. Из приведённых ниже утверждений выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Сила трения покоя больше приложенной к телу силе. 2) Сила трения качения меньше силы трения скольжения при той же массе тела. 3) Коэффициент трения скольжения прямо пропорционален силе нормального давления. 4) Сила трения зависит от площади опоры движущегося тела при одинаково обработанной его поверхности. 5) Максимальная сила трения покоя равна силе трения скольжения.

Часть 2

13. Автомобиль, имея скорость 72 км/с, начинает тормозить с выключенным двигателем и проходит путь 100 м. Чему равны ускорение автомобиля и время торможения?

Коэффициент трения качения

Из выписанного выше уравнения следует, что коэффициент трения качения может быть определен как отношение момента трения качения Mt{\displaystyle M_{t}} к прижимной силе N:

f=MtN.{\displaystyle f={\frac {M_{t}}{N}}.}

Графическая интерпретация коэффициента трения качения f дана на рисунке 3 и 4.

Коэффициент трения качения имеет следующие физические интерпретации:

Если тело находится в покое и внешняя сила отсутствует, то реакция опоры лежит на той же линии, что и прижимающая сила. Когда тело катится, то из условия равновесия следует, что нормальная составляющая реакции опоры параллельна и противонаправлена прижимающей силе, но не лежит с ней на одной линии. Коэффициент трения качения равен расстоянию между прямыми, вдоль которых действуют прижимающая сила и нормальная составляющая реакции опоры (рис. 4).

Движение катящегося тела без проскальзывания можно рассматривать как поворот вокруг мгновенной оси вращения (на рис. 4 — точка приложения вектора R→p{\displaystyle {\vec {R}}_{p}}), которая для абсолютно твёрдых тел совпадает с основанием перпендикуляра, опущенного из центра круга на опору. Для случая реальных (деформирующихся под нагрузкой) материалов мгновенный центр вращения смещён в направлении качения тела, а величина смещения равна значению коэффициента трения качения.

Где мы встречаемся с силой трения

В повседневной жизни с силой трения мы сталкиваемся ежедневно. Например, сила трения помогает нам удерживать в руках предметы и ходить по земной поверхность. В зимнее время тротуары посыпают песком для увеличения той самой силы трения, и предотвращения падений на скользкий снег. Приведем еще несколько примеров на эту тему:

• Лыжи, санки и сноуборды, конечно, прекрасно скользят по снегу спускаясь с горы, но остановятся через некоторое время на горизонтальной поверхности;
• Автомобили и мотоциклы прекращают движение после остановки двигателя без помощи тормозов — тормозит сила трения. Правда, тормозной путь будет больше;
• Гвозди и клинья обеспечивают сцепление за счет силы трения;
• Узлы на веревках, тросах и шнурках не развязываются благодаря трению;
• Предметы устойчиво стоят на столах и не падают от дуновения ветерка по той же причине;
• Петли скрипящих дверей смазывают маслом, чтобы уменьшить силу трения;
• Музыкальные инструменты (струнные и щипковые) звучат благодаря трению.

Рис. 1. Примеры проявления силы трения.

Дадим общее определение силы трения:

Сила трения — это сила, возникающая при контакте двух тел и препятствующая их относительному движению. Сила трения направлена против движения.

Сила трения может быть как полезной, и тогда ее действие стараются усилить, так и нежелательной. В последнем случае стараются всевозможными методами снизить трение. Как правило, для этого применяются различного рода смазки в виде масел. Например, эффективность двигателя внутреннего сгорания в наибольшей степени зависит от трения поршней о стенки цилиндров. Производители масел стараются снизить трение и увеличить срок службы двигателя.

Сила трения

Тебе приходилось видеть, как кто-то нечаянно соскользнул со стула и упал на пол? Ты рассмеялся? А вот представь, что мы постоянно падаем со стульев и кроватей, а предметы не могут удержаться на месте и выскальзывают из рук… На самом деле не так и смешно, правда?

К счастью, благодаря силе трения этого не происходит. Если бы трение отсутствовало, то все предметы не могли бы держаться на поверхностях, а постоянно скатывались вниз, на землю.

Трение — это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого.

На льду трение между подошвой обуви и льдом очень мало, поэтому мы не можем ходить по льду так, как ходим по земле: наши ноги скользят. Для того чтобы улучшить сцепление обуви с поверхностью, лед посыпают песком

Одной из причин, вызывающих трение, является шероховатость поверхностей соприкасающихся тел. Причем чем больше шероховатостей и неровностей, тем больше сила трения.

Различают несколько видов трения, из них основные: трение скольжения, качения и покоя.

Трение скольжения

В данном случае одно тело скользит по поверхности другого. Например: катание с горы на санках или лыжах, катание на коньках по льду.

Сила трения направлена в сторону, противоположную направлению движения. Более того, она направлена вдоль соприкасающихся поверхностей

Трение качения

Этот вид трения возникает, когда одно тело катится по поверхности другого. Это может быть любое колесо или тело в форме шара.

Трение покоя

В состоянии трения покоя тело может сдвинуться с места, но ему что-то мешает, и мешает ему именно сила трения. Например, в комнате стоит диван, и сдвинуть его с места можно только в случае приложения другой силы, которая будет больше силы трения покоя.

К чему приводит уменьшение силы трения?

Снижением силы трения и плохим контактом шин с асфальтом объясняется повышение количества аварий на мокрой дороге.

На мокром полу мы можем легко упасть.

Это происходит потому, что жидкость создает барьер между полом и подошвой обуви, при котором сцепление подошвы с полом значительно уменьшается, и, соответственно, уменьшается сила трения.

Поделиться ссылкой

Причины возникновения силы трения

Первая причина — не идеальность поверхностей. Казалось бы гладкие на вид и на ощупь поверхности всегда имеют какое то количество бугорков, шероховатостей и царапин, которые мы не можем разглядеть. При движении тела (или при попытке движения) эти дефекты цепляются друг за друга, что в сумме дает некоторую силу, препятствующую движению.

Рис. 2. Граница раздела трущихся поверхностей: царапины, бугры, дефекты.

Вторая причина — сила трения возникает благодаря существованию сил взаимодействия молекул и атомов соприкасающихся тел. Взаимодействие возникает между электрическими зарядами, которые имеют частицы (электроны, протоны), входящие в состав атомов.

λ = 64/Re .

При турбулентном режиме течения жижкости весь диапазон значений чисел Рейнольдса, в зависимости от относительной шероховатости, необходимо разделить на области, каждой из которых будет соответствовать своя формула для расчета коэффициента гидравлического трения:

область гидравлически гладких труб 2300 ≤ Re ≤ 10 √D

1. λ = 0.3164/Re0.25 – формула Блазиуса;

2. 10/D̅  ≤ Re ≤ 500√D – переходная область;

3. λ = 0.11 · (D̅  + 68/Re)0.25  – формула А.Д. Альтшуля;

4. Re > 500√D – квадратичная область;

5. λ = 0.11 · D-0.25  – формула Б.Л. Шифринсона.

Если жидкость будет протекать по трубам, форма поперечного сечения которых не будет круглой, то в приведенных выше формулах будет использоваться вместо d эквивалентный диаметр:

Сила трения качения

Рис. 1. R→p{\displaystyle {\vec {R}}_{p}} — реакция опоры; N→{\displaystyle {\vec {N}}} — прижимающая сила; F→t{\displaystyle {\vec {F}}_{t}} — сила трения качения, P→=−F→t{\displaystyle {\vec {P}}=-{\vec {F}}_{t}} — внешняя сила (приложена к центру тела и направлена вправо, на рисунке не показана); сумма векторов сил N→+P→+R→p=.{\displaystyle {\vec {N}}+{\vec {P}}+{\vec {R}}_{p}=0\,.}

Пусть на тело вращения, располагающееся на опоре, действуют

• P — внешняя сила, пытающаяся привести тело в состояние качения или поддерживающая качение и направленная вдоль опоры;
• N — прижимающая сила;
• Rp{\displaystyle R_{p}} — реакция опоры.

Если векторная сумма этих сил равна нулю

N→+P→+R→p=,{\displaystyle {\vec {N}}+{\vec {P}}+{\vec {R}}_{p}=0,}

то ось симметрии тела движется равномерно и прямолинейно или остаётся неподвижной (см. рис. 1). Вектор F→t=−P→{\displaystyle {\vec {F}}_{t}=-{\vec {P}}} определяет силу трения качения, противодействующую движению. Это означает, что прижимающая сила уравновешивается вертикальной составляющей реакции опоры, а внешняя сила уравновешивается горизонтальной составляющей реакции опоры.

Рис. 2. P→{\displaystyle {\vec {P}}} — внешняя сила; F→t{\displaystyle {\vec {F}}_{t}} — сила трения качения; R — радиус тела вращения; F→t=−P→.{\displaystyle {\vec {F}}_{t}=-{\vec {P}}.}

Равномерное качение означает также, что сумма моментов сил относительно произвольной точки равна нулю. Из равновесия относительно оси вращения моментов сил, изображённых на рис. 2 и 3, следует:

Ft⋅R=N⋅f,{\displaystyle F_{t}\cdot R=N\cdot f,}

откуда

Ft=fR⋅N,{\displaystyle F_{t}={\frac {f}{R}}\cdot N,}

где

Ft{\displaystyle F_{t}} — сила трения качения;

f — коэффициент трения качения, имеющий размерность длины (следует отметить важное отличие от коэффициента трения скольжения, который безразмерен);

R — радиус катящегося тела;

N — прижимающая сила.

Рис. 3. Момент силы трения Mt=N⋅f,{\displaystyle M_{t}=N\cdot f,} действующий против часовой стрелки (относительно мгновенного центра вращения в зоне контакта — правого конца отрезка f) и тормозящий качение тела вправо; N — прижимающая сила; f — коэффициент трения качения, равный длине плеча силы N.

Рис. 4. Коэффициент трения f; R→p=−N→+F→t{\displaystyle {\vec {R}}_{p}=-{\vec {N}}+{\vec {F}}_{t}} — асимметричная реакция опорной поверхности, векторная сумма вертикальной −N→{\displaystyle -{\vec {N}}} и горизонтальной F→t{\displaystyle {\vec {F}}_{t}} компонент; N→{\displaystyle {\vec {N}}} — прижимающая сила; F→t{\displaystyle {\vec {F}}_{t}} — сила трения качения.

Эта зависимость подтверждается экспериментально. Для малой скорости качения сила трения качения не зависит от величины этой скорости. Когда скорость качения достигает значений, сопоставимых со значениями скорости деформации в материале опоры, трение качения резко возрастает и даже может превысить трение скольжения при аналогичных условиях.

Момент сил трения качения

Определим для подвижного цилиндра момент, тормозящий вращательное движение тела. Рассматривая данный момент относительно оси вращающегося колеса (например, колеса автомобиля), находим, что он равен произведению тормозного усилия на оси на радиус колеса. Относительно точки контакта движущегося тела с землей момент будет равен произведению внешней силы, уравновешивающей силу трения, на радиус колеса (рис. 2):

Mt=Ft⋅R=P⋅R{\displaystyle M_{t}=F_{t}\cdot R=P\cdot R}.

С другой стороны, момент трения равен моменту прижимающей силы N→{\displaystyle {\vec {N}}} на плечо, длина которого равна коэффициенту трения качения f:

Mt=f⋅N,{\displaystyle M_{t}=f\cdot N,}

где

• Mt=f⋅N{\displaystyle M_{t}=f\cdot N} — момент силы трения в · ;
• R — радиус тела качения;
• P — внешняя сила;
• Ft{\displaystyle F_{t}} — сила трения качения;
• f — коэффициент трения качения в .

Внутреннее трение

Этот процесс также называется в физике альтернативным словом “вязкость”. На самом деле он представляет собой ответвление явлений переноса. Свойственен этот процесс текучим телам. Причем речь идет не только о жидкостях, но и о газообразных веществах. Свойство вязкости заключается в оказании сопротивления при переносе одной части вещества относительно другой. При этом логично совершается работа, необходимая на перемещение частиц. Но она рассеивается в окружающем пространстве в виде тепла.

Закон, определяющий силу вязкого трения, был предложен еще Исааком Ньютоном. Произошло это в 1687 году. Закон и по сегодняшний день носит имя великого ученого. Но все это было только в теории, а экспериментальное подтверждение удалось получить только в начале 19-го века. Соответствующие опыты ставились Кулоном, Хагеном и Пуазейлем.

Итак, сила вязкого трения, которая оказывает на жидкость воздействие, пропорциональна относительной скорости слоев, а также площади. В то же время она обратно пропорциональна тому расстоянию, на котором располагаются слои относительно друг друга. Коэффициент внутреннего трения — это коэффициент пропорциональности, который в данном случае определяется сортом газа или жидкого вещества.

Аналогичным образом будет определяться и другой коэффициент, который имеет место в ситуациях с относительным движением двух течений. Это, соответственно, коэффициент гидравлического трения.

Примеры силы трения в природе

Изучаемое явление имеет огромное влияние на жизнедеятельность людей и животных. Благодаря силе трения человек может ходить, удерживать в руках предметы, а звери зацепляться за ветки деревьев. Именно существование сцепления держит огромные валуны на скалах и не позволяет им упасть, а растения тянутся к солнечному свету, скрепляясь с близстоящей опорой.

Кроме этого, и животные, и люди умеют избавляться от негативного воздействия торможения. Например, тела рыб покрыты слизью, чтобы уменьшить эффект трения о воду, а человек, особенно в технике, зачастую применяет различные смазывающие материалы.

Формула силы трения

Сила трения высчитывается путем произведения реакции опоры N и коэффициента трения k. Формула силы трения будет иметь следующий вид:

F_тр = k * N.

В некоторых формулах коэффициент трения k обозначается символом µ.

Написанные выше расчеты справедливы в самом простом случае, когда тело лежит на строго горизонтальной поверхности.

Если же движение происходит по наклонной плоскости, то расчеты силы трения несколько усложняются. На тело, как и раньше, действует сила гравитации и реакция опоры поверхности, но не в одном направлении.

Таким образом, формула силы трения для тела, которое движется по наклонной поверхности, будет иметь следующий вид:

F_тр = k * m * g * cosα.

Где k – коэффициент трения, m – масса тела, g гравитационная постоянная (помним, что она равна 9,8 м/с2), cosα – отношение катета, прилежащего к углу, к гипотенузе треугольника (косинус).

При определении силы трения на наклонных поверхностях ярко проявляется связь между физикой и геометрией.

Возникновение трения

Силы трения, причина которых кроется в том, что любая поверхность на микроуровне неровна, действуют на движущиеся и покоящиеся тела. Они могу возникать между твердыми телами, между твердыми и газообразными или жидкими.

Направление сил трения противоположно движению тела (силам, которые движут тело) и лежит в плоскости соприкосновения с поверхностью.

По тому, какая поверхность (со смазкой или без), силы трения делят на сухие и не сухие виды. К первым относят трение покоя (сцепления), скольжения и качения. К не сухим – жидкостное (вязкое).

С помощью подручных средств легко провести опыт. Возьмем любой предмет (например, книгу), положим его на стол и потянем. Если тянуть слабо, книга не сдвинется, ибо на нее действует сила трения покоя. Когда прикладываемся сила станет больше, сцепление также увеличится. Но у него есть максимальное (предельное) значение, и если тянущая сила превысит это значение, тело начнет движение, а покой сменится скольжением.

Рис. 1. Измерение силы трения при помощи динамометра.

Если выстраивать строгую теорию трения скольжения, то придется учитывать ее зависимость от скорости. Но большая часть относительно простых задач решаются в приближении, когда силу трения скольжения считают равной максимальной силе сцепления.

На практике трение часто наносит ущерб. Например, оно вызывают истирание деталей. Эту проблему решают либо добавлением смазки, либо подшипниками. Во втором случае скольжение заменяется качением.

Рис. 2. Возникновение силы трения качения.

При движении в газообразной или жидкой среде возникает вязкое (жидкостное) трение, которое также называются сопротивлением среды. Оно слабее сухого трения, а главная его особенность в том, что оно зависит от скорости. В случае равенства последней нулю, сопротивление также обратится в нуль.

Литература

В Викисловаре есть статья «трение»

• Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 1. Трение в машинах. Теория, расчет и конструкция подшипников и подпятников скольжения. Машгиз. М.-Л. — 1947. 256 с.
• Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 2. Износ материалов. Классификация видов износа, методов и машин для лабораторного испытания материалов на износ машины и производственные на них исследования. Машгиз. М.-Л. — 1947. 220 с.
• Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 3. Износ машин. Износ машин и деталей и способы борьбы с их износом. Машгиз. М.-Л. — 1947. 164 с.
• Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 4. Смазка машин. Машгиз. М.-Л. — 1948. 279 с.
• Archbutt L., Deeley R.M. Lubrication and Lubicants. London. — 1927
• Арчбютт Л., Дилей Р. М. Трение, смазка и смазочные материалы. Руководство по теории и практике смазки и по методам испытания смазочных материалов. Госгоргеолнефтиздат. — Л. — 1934. — 703 с.
• Арчбютт Л., Дилей Р. М. Трение, смазка и смазочные материалы — 2-е изд., перераб. и доп. — М.-Л.: Гостоптехиздат. — 1940. — 824 с.
• Дерягин Б. В. Что такое трение? М.: Изд. АН СССР, 1963.
• Крагельский И. В., Щедров В. С. Развитие науки о трении. Сухое трение. М.: Изд. АН СССР, 1956.
• Фролов, К. В. (ред.) Современная трибология: Итоги и перспективы. ЛКИ, 2008.
• Bowden F. P., Tabor D. The Friction and Lubrication of Solids. Oxford University Press, 2001.
• Persson Bo N. J.: Sliding Friction. Physical Principles and Applications. Springer, 2002.
• Popov V. L. Kontaktmechanik und Reibung. Ein Lehr- und Anwendungsbuch von der Nanotribologie bis zur numerischen Simulation, Springer, 2009.
• Rabinowicz E. Friction and Wear of Materials. Wiley-Interscience, 1995.

Литература

В Викисловаре есть статья «трение»

• Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 1. Трение в машинах. Теория, расчет и конструкция подшипников и подпятников скольжения. Машгиз. М.-Л. — 1947. 256 с.
• Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 2. Износ материалов. Классификация видов износа, методов и машин для лабораторного испытания материалов на износ машины и производственные на них исследования. Машгиз. М.-Л. — 1947. 220 с.
• Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 3. Износ машин. Износ машин и деталей и способы борьбы с их износом. Машгиз. М.-Л. — 1947. 164 с.
• Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 4. Смазка машин. Машгиз. М.-Л. — 1948. 279 с.
• Archbutt L., Deeley R.M. Lubrication and Lubicants. London. — 1927
• Арчбютт Л., Дилей Р. М. Трение, смазка и смазочные материалы. Руководство по теории и практике смазки и по методам испытания смазочных материалов. Госгоргеолнефтиздат. — Л. — 1934. — 703 с.
• Арчбютт Л., Дилей Р. М. Трение, смазка и смазочные материалы — 2-е изд., перераб. и доп. — М.-Л.: Гостоптехиздат. — 1940. — 824 с.
• Дерягин Б. В. Что такое трение? М.: Изд. АН СССР, 1963.
• Крагельский И. В., Щедров В. С. Развитие науки о трении. Сухое трение. М.: Изд. АН СССР, 1956.
• Фролов, К. В. (ред.) Современная трибология: Итоги и перспективы. ЛКИ, 2008.
• Bowden F. P., Tabor D. The Friction and Lubrication of Solids. Oxford University Press, 2001.
• Persson Bo N. J.: Sliding Friction. Physical Principles and Applications. Springer, 2002.
• Popov V. L. Kontaktmechanik und Reibung. Ein Lehr- und Anwendungsbuch von der Nanotribologie bis zur numerischen Simulation, Springer, 2009.
• Rabinowicz E. Friction and Wear of Materials. Wiley-Interscience, 1995.

Задачи

Решение первой задачи

Схема решения этой задачи та же, по которой решаются большинство задач на основное уравнение динамики.

Ось Оy проведем через вектор силы нормальной реакции опоры, Ось Ох – через вектор ускорения кирпича. Запишем второй закон Ньютона в векторной форме:

$$m \vec a = \vec F_{тр} + m \vec g + \vec N$$

И в проекциях на оси:

Ox: $ma = mgcos \varphi – \mu N$

Oy: $N=mgsin \varphi$

Учитывая уравнение на оси Оу запишем:

$$ma = mgcos \varphi – \mu mgcos \varphi = mg(cos \varphi – \mu sin \varphi)$$

$$a = g(cos \varphi – \mu sin \varphi) = 3,5 м/c$$

Решение второй задачи

Условие, при котором человек будет падать с одной и той же скорость, найдется из условия равенства силы сопротивления и силы тяжести:

$$mg = k_2v^2$$

Тогда:

$$v_1 = \sqrt{mg \over k_1} = 14,14 м/с$$

$$v_2 = \sqrt{mg \over k_2} = 1,38 м/c$$

Что мы узнали?

В ходе урока выяснили, как возникают силы трения, установили закон действия этих сил. После чего разделили силы трения на два вида – силы сухого трения и силы жидкостного трения, а также рассмотрели формулы, по которым производится их расчет. В закрепление урока разобрали две несложные задачи.

Типы трения скольжения

Если между телами отсутствует жидкая или газообразная прослойка (смазочный материал), то такое трение называется сухим. В противном случае, трение называется «жидким». Характерной отличительной чертой сухого трения является наличие трения покоя.

По физике взаимодействия трение скольжения принято разделять на:

• Сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазочными материалами — очень редко встречающийся на практике случай. Характерная отличительная черта сухого трения — наличие значительной силы трения покоя;
• Сухое с сухой смазкой (графитовым порошком);
• Жидкостное, при взаимодействии тел, разделённых слоем жидкости или газа (смазочного материала) различной толщины — как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость;
• Смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
• Граничное, когда в области контакта могут содержаться слои и участки различной природы (оксидные плёнки, жидкость и т. д.) — наиболее распространённый случай при трении скольжения;

Также можно классифицировать трение по его области. Силы трения, возникающие при относительном перемещении различных тел, называются силами внешнего трения. Силы трения возникают и при относительном перемещении частей одного и того же тела. Трение между слоями одного и того же тела называется внутренним трением.

Рекомендованная литература и полезные ссылки

• Сила трения. ЗФТШ, МФТИ. Дата обращения 14 февраля 2019.
• Енохович А. С. Справочник по физике. — Просвещение, 1978. — С. 85. — 416 с.
• Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 1. Трение в машинах. Теория, расчет и конструкция подшипников и подпятников скольжения. Машгиз. М.-Л. — 1947. 256 с.
• Bowden F. P., Tabor D. The Friction and Lubrication of Solids. Oxford University Press, 2001. Persson Bo N. J.: Sliding Friction. Physical Principles and Applications. Springer, 2002.
• Popov V. L. Kontaktmechanik und Reibung. Ein Lehr- und Anwendungsbuch von der Nanotribologie bis zur numerischen Simulation, Springer, 2009.
• Rabinowicz E. Friction and Wear of Materials. Wiley-Interscience, 1995.

Прикладное значение

Трение в механизмах и машинах

В большинстве традиционных механизмов (ДВС, автомобили, зубчатые шестерни и пр.) трение играет отрицательную роль, уменьшая КПД механизма. Для уменьшения силы трения используются различные натуральные и синтетические масла и смазки. В современных механизмах для этой цели используется также напыление покрытий (тонких плёнок) на детали. С миниатюризацией механизмов и созданием микроэлектромеханических систем (МЭМС) и наноэлектромеханических систем (НЭМС) величина трения по сравнению с действующими в механизме силами увеличивается и становится весьма значительной (μ⩾1){\displaystyle (\mu \geqslant 1)}, и при этом не может быть уменьшена с помощью обычных смазок, что вызывает значительный теоретический и практический интерес инженеров и учёных к данной области. Для решения проблемы трения создаются новые методы его снижения в рамках трибологии и науки о поверхности (англ.).

Сцепление с поверхностью

Наличие трения обеспечивает возможность перемещаться по поверхности. Так, при ходьбе именно за счёт трения происходит сцепление подошвы с полом, в результате чего происходит отталкивание от пола и движение вперёд. Точно так же обеспечивается сцепление колёс автомобиля (мотоцикла) с поверхностью дороги. В частности, для улучшения этого сцепления разрабатываются новые формы и специальные типы резины для покрышек, а на гоночные болиды устанавливаются антикрылья, сильнее прижимающие машину к трассе.

Каковы причины возникновения силы трения (качения и скольжения)

Главная причина возникновения явлений, препятствующих перемещению тел, заключается в неоднородности и шероховатости контактирующих поверхностей. При движении объектов эти дефекты соприкасаются, что и приводит к эффекту торможения.

Помимо этого, причиной трения является существование взаимодействия между молекулами и атомами двух граничащих тел, которое вызывает взаимное притяжение.

Что касается процессов, снижающих скорость качения, то их появление также обуславливается природными деформациями поверхностей. Говоря простым языком, при движении катку требуется постоянно взбираться на небольшие горки, что приводит к замедлению.