Силы трения между поверхностями твердых тел. Сила трения

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).

Темы кодификатора ЕГЭ: силы в механике, сила трения, коэффициент трения скольжения.

Сила трения - это сила взаимодействия между соприкасающимися телами, препятствующая перемещению одного тела относительно другого. Сила трения всегда направлена вдоль поверхностей соприкасающихся тел.

В школьной физике рассматриваются два вида трения.

1.Сухое трение . Оно возникает в зоне контакта поверхностей твёрдых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки.
2.Вязкое трение. Оно возникает при движении твёрдого тела в жидкой или газообразной среде или при перемещении одного слоя среды относительно другого.

Сухое и вязкое трение имеют разную природу и отличаются по свойствам. Рассмотрим эти виды трения по отдельности.

Сухое трение.

Сухое трение может возникать даже при отсутствии относительного перемещения тел. Так, тяжёлый диван остаётся неподвижным при слабой попытке сдвинуть его с места: наша сила, приложенная к дивану, компенсируется силой трения, возникающей между диваном и полом. Сила трения, которая действует между поверхностями покоящихся тел и препятствует возникновению движения, называется силой трения покоя.

Почему вообще появляется сила трения покоя? Соприкасающиеся поверхности дивана и пола являются шероховатыми, они усеяны микроскопическими, незаметными глазу бугорками разных форм и размеров. Эти бугорки зацепляются друг за друга и не дают дивану начать движение. Сила трения покоя, таким образом, вызвана силами электромагнитного отталкивания молекул, возникающими при деформациях бугорков.

При плавном увеличении усилия диван всё ещё не поддаётся и стоит на месте - сила трения покоя возрастает вместе с увеличением внешнего воздействия, оставаясь равной по модулю приложенной силе. Это понятно: увеличиваются деформации бугорков и возрастают силы отталкивания их молекул.

Наконец, при определённой величине внешней силы диван сдвигается с места. Сила трения покоя достигает своего максимально возможного значения. Деформации бугорков оказываются столь велики, что бугорки не выдерживают и начинают разрушаться. Возникает скольжение.

Сила трения, которая действует между проскальзывающими поверхностями, называется силой трения скольжения. В процессе скольжения рвутся связи между молекулами в зацепляющихся бугорках поверхностей. При трении покоя таких разрывов нет.

Объяснение сухого трения в терминах бугорков является максимально простым и наглядным. Реальные механизмы трения куда сложнее, и их рассмотрение выходит за рамки элементарной физики.

Сила трения скольжения, приложенная к телу со стороны шероховатой поверхности, направлена противоположно скорости движения тела относительно этой поверхности. При изменении направления скорости меняется и направление силы трения. Зависимость силы трения от скорости - главное отличие силы трения от сил упругости и тяготения (величина которых зависит только от взаимного расположения тел, т. е. от их координат).

В простейшей модели сухого трения выполняются следующие законы. Они являются обобщением опытных фактов и носят приближённый характер.

1. Максимальная величина силы трения покоя равна силе трения скольжения.
2. Абсолютная величина силы трения скольжения прямо пропорциональна силе реакции опоры:

Коэффициент пропорциональности - называется коэффициентом трения.

3. Коэффициент трения не зависит от скорости движения тела по шероховатой поверхности.
4. Коэффициент трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

Этих законов достаточно для решения задач.

Задача. На горизонтальной шероховатой поверхности лежит брусок массой кг. Коэффициент трения . К бруску приложена горизонтальная сила . Найти силу трения в двух случаях: 1) при 2) при .

Решение.Сделаем рисунок, расставим силы. Силу трения обозначаем (рис. 1 ).

Рис. 1. К задаче

Запишем второй закон Ньютона:

(1)

Вдоль оси брусок не совершает движения, . Проектируя равенство (1) на ось , получим: , откуда .

Максимальная величина силы трения покоя (она же сила трения скольжения) равна

1) Сила меньше максимальной силы трения покоя. Брусок остаётся на месте, и сила трения будет силой трения покоя:
2) Сила больше максимальной силы трения покоя. Брусок начнёт скользить, и сила трения будет силой трения скольжения: .

Вязкое трение.

Сила сопротивления, возникающая при движении тела в вязкой среде (жидкости или газе), обладает совершенно иными свойствами.

Во-первых, отсутствует сила трения покоя. Например, человек может сдвинуть с места плавающий многотонный корабль, просто потянув за канат.

Во-вторых, сила сопротивления зависит от формы движущегося тела. Корпус подводной лодки, самолёта или ракеты имеет обтекаемую сигарообразную форму - для уменьшения силы сопротивления. Наоборот, при движении полусферического тела вогнутой стороной вперёд сила сопротивления очень велика (пример - парашют).

В третьих, абсолютная величина силы сопротивления существенно зависит от скорости. При малых скоростях движения сила сопротивления прямо пропорциональна скорости:

При больших скоростях сила сопротивления прямо пропорциональна квадрату скорости:

Например, при падении в воздухе зависимость силы сопротивления от квадрата скорости имеет место уже при скоростях около нескольких метров в секунду. Коэффициенты и зависят от формы и размеров тела, от физических свойств поверхности тела и вязкой среды.

Так, парашютист при затяжном прыжке не набирает скорость безгранично, а с определённого момента начинает падать с установившейся скоростью, при которой сила сопротивления становится равна силе тяжести:

Отсюда установившаяся скорость:

(2)

Задача. Два металлических шарика, одинаковых по размеру и различных по массе, падают без начальной скорости с одной и той же большой высоты. Какой из шариков быстрее упадёт на землю - лёгкий или тяжёлый?
Решение. Из формулы (2) следует, что у тяжёлого шарика установившаяся скорость падения больше. Значит, он дольше будет набирать скорость и потому быстрее достигнет земли.

Сила трения есть сила сопротивления движению соприкасающихся тел друг относительно друга.

Трение объясняется двумя причинами: неровностями трущихся поверхностей тел и молекулярным взаимодействием между ними. Если выйти за пределы механики, то следует сказать, что силы трения имеют электромагнитное происхождение, как и силы упругости. Каждая из указанных выше двух причин трения в разных случаях проявляет себя в разной мере. Например, если соприкасающиеся поверхности твердых трущихся тел имеют значительные неровности, то основная слагаемая в возникающей здесь силе трения будет обусловлена именно данным обстоятельством, т.е. неровностью, шероховатостью поверхностей трущихся тел.

Тела, перемещающиеся с трением друг относительно друга, должны соприкасаться поверхностями или двигаться одно в среде другого. Движения тел друг относительно друга может и не возникнуть из-за наличия трения, если движущая сила меньше максимальной силы трения покоя.

Если соприкасающиеся поверхности твердых трущихся тел отлично отшлифованы и гладки, то основная слагаемая возникающей при этом силы трения будет определяться молекулярным сцеплением между трущимися поверхностями тел.

Рассмотрим более детально процесс возникновения сил трения скольжения и покоя на стыке двух соприкасающихся тел. Если посмотреть на поверхности тел под микроскопом, то будут видны микронеровности, которые мы изобразим в увеличенном виде (рис. 1, а).

Рассмотрим взаимодействие соприкасающихся тел на примере одной пары неровностей (гребень и впадина) (рис. 3, б). В случае, когда сила, пытающаяся вызвать движение, отсутствует, характер взаимодействия на обоих склонах микронеровностей аналогичный. При таком характере взаимодействия все горизонтальные составляющие силы взаимодействия уравновешивают друг друга, а все вертикальные просуммируются и составляют силу N (реакция опоры) (рис. 2, а).

Иная картина взаимодействия тел получается, когда на одно из тел начинает действовать сила. В этом случае точки контакта будут преимущественно на левых по рисунку «склонах». Первое тело будет давить на второе. Интенсивность этого давления характеризуется силой R". Второе тело в соответствии с третьим законом Ньютона будет действовать на первое тело. Интенсивность этого действия характеризуется силой R (реакция опоры). Силу R можно разложить на составляющие: силу N, направленную перпендикулярно поверхности соприкосновения тел, и силу Fсц, направленную против действия силы F (рис. 2, б).

После рассмотрения взаимодействия тел следует обратить внимание на два момента.

1) При взаимодействии двух тел в соответствии с третьим законом Ньютона возникают две силы R и R"; силу R для удобства ее учета при решении задач мы раскладываем на составляющие N и Fсц (Fтр в случае движения).

2) Силы N и FTp имеют одну и ту же природу (электромагнитное взаимодействие); иначе и быть не могло, так как это составляющие одной и той же силы R.

Весьма важное значение в современной технике для снижения вредного влияния сил трения имеет замена трения скольжения трением качения. Сила трения качения определяется как сила, необходимая для равномерного прямолинейного качения тела по горизонтальной плоскости. Опытом установлено, что сила трения качения вычисляется по формуле:

где F-сила трения качения; к-коэффициент трения качения; Р-сила давления катящегося тела на опору и R-радиус катящегося тела.

Из практики очевидно, из формулы ясно, что чем больше радиус катящегося тела, тем меньшее препятствие оказывают ему неровности поверхности опоры.

Заметим, что коэффициент трения качения, в отличие от коэффициента трения скольжения, именованная величина и выражается в единицах длины - метрах.

Заменяется трение скольжения трением качения, в необходимых и возможных случаях, заменой подшипников скольжения на подшипники качения.

Существует внешнее и внутреннее трение (иначе называемое вязкостью). Внешним называют такой вид трения, при котором в местах соприкосновения твердых тел возникают силы, затрудняющие взаимное перемещение тел и направленные по касательной к их поверхностям.

Внутренним трением (вязкостью) называется вид трения, состоящий в том, что при взаимном перемещении. Слоев жидкости или газа между ними возникают касательные силы, препятствующие такому перемещению.

Внешнее трение подразделяют на трение покоя (статическое трение) и кинематическое трение. Трение покоя возникает между неподвижными твердыми телами, когда какое-либо из них пытаются сдвинуть с места. Кинематическое трение существует между взаимно соприкасающимися движущимися твердыми телами. Кинематическое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения.

В жизни человека силы трения играют важную роль. В одних случаях он их использует, а в других борется с ними. Силы трения имеют электромагнитную природу.

Виды сил трения.

Силы трения имеют электромагнитную природу, т.е. в основе сил

трения лежат электрические силы взаимодействия молекул. Они

зависят от скорости движения тел относительно друг друга.

Существует 2 вида трения: сухое и жидкое.

1.Жидкое трение – это сила, возникающая при движении твёрдого

тела в жидкости или газе или при движении одного слоя жидкости

(газа) относительно другого и тормозящая это движение.

В жидкостях и газах сила трения покоя отсутствует.

При малых скоростях движения в жидкости (газе):

где k1– коэффициент сопротивления, зависящий от формы, размеров

тела и от св-в среды. Определяется опытным путём.

При больших скоростях движения:

где k2– коэффициент сопротивления.

2.Сухое трение – это сила, возникающая при непосредственном

соприкосновении тел, и всегда направлена вдоль поверхностей

соприкосновения электромагнитных тел именно разрывом молекулярных связей.

Трение покоя.

Рассмотрим взаимодействие бруска с поверхностью стола.

Поверхность, соприкасающихся тел не является абсолютно ровной.

Наибольшая сила притяжения возникает между атомами веществ, находящимися на минимальном расстоянии друг от друга, то есть на микроскопических выступах. Суммарная сила притяжения атомов, соприкасающихся тел столь значительна, что даже под действием внешней силы

Когда приложенная сила достигает максимального критического значения, достаточного для разрыва связей между выступами, брусок начинает скользить по столу.

Максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения поверхности.

По третьему закону Ньютона сила нормального давления равна по модулю силе реакции опоры N.

Максимальная сила трения покоя

Коэффициент трения покоя зависит от характера обработки поверхности и от сочетания материалов, из которых состоят соприкасающиеся тела. Качественная обработка гладких поверхностей контакта приводит к увеличению числа притягивающихся атомов и соответственно к увеличению коэффициента трения покоя.

Наблюдения показывают, что сила трения покоя всегда направлена противоположно действующей на тело внешней силе, стремящейся привести это тело в движение (

По третьему закону Ньютона сила Fд давления тела на опору равна по модулю силе N реакции опоры. Поэтому максимальная сила трения покоя пропорциональна силе реакции опоры. Для модулей этих сил справедливо следующее соотношение:

Fп=fпN, (2.19)

где fп - безразмерный коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения покоя. Значение этого коэффициента зависит от материала и состояния трущихся поверхностей.

Определить значение коэффициента трения покоя можно следующим образом. Пусть тело (плоский брусок) лежит на наклонной плоскости АВ (рис. 23). На него действуют три силы: сила тяжести F, сила трения покоя Fп и сила реакции опоры N. Нормальная составляющая Fп силы тяжести представляет собой силу давления Fд, производимого телом на опору, т. е.

Тангенциальная составляющая Fт силы тяжести представляет собой силу, стремящуюся сдвинуть тело вниз по наклонной плоскости.

При малых углах наклона a сила Fт уравновешивается силой трения покоя Fп и тело на наклонной плоскости покоится (сила N реакции опоры по третьему закону Ньютона равна по модулю и противоположна по направлению силе Fд, т. е. уравновешивает ее).

Трение - совокупность явлений, вызывающих сопротивление движению относительно друг друга макроскопических тел (внешнее трение) или элементов одного и того же тела (внутреннее трение), при котором механическая энергия рассеивается преимущественно в виде тепла . Внешнее трение происходит на границе контакта двух твердых тел. Внутреннее трение возникает, в потоках жидкости или при деформации твердого тела , между частями что перемешаются друг относительно друга.

Внешнее трение (трение) - явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах контакта их поверхностей, тангециально к ним. (ГОСТ 2823-94)

1. Виды внешнего трения

При наличии относительного движения двух тел, контактирующих между собой силы трения, возникающие при этом, можно разделить на:

2. Физическая природа

Физическая природа трения до конца не изучена. Существуют различные научные школы, которые трактуют природу трения с разных позиций, например с точки зрения физики металлов, электрической природы и т.д.

Количественно проявление трения между твердыми телами описывается силой трения .

Явление внутреннего трения в жидкостях и газах называется вязкостью .

3. Диссипация энергии

При трении энергия макроскопического механического движения переходит в энергию микроскопического движения атомов и молекул. Человечество научилось использовать этот эффект для добывания огня.

4. Электризация трением

При трении поверхности многих тел заряжаются, что свидетельствует о электростатическую природу трения. Этот процесс используется для создания статических зарядов. Одним из распространенных примеров такой электризации трением в современном мире электризация барабана в фотокопировальных машин . С помощью электризации трением можно создавать очень большие напряжения , как, например, в электростатическом генераторе Ван де Граафа .

5. Смазки

Различают трения без смазочного материала (сухое трение) и трения с смазочным материалом, подводимой в зону трения. Для уменьшения трения используются различные