Сила трения

  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):

  Fтр= k1v,

где k1– коэффициент  сопротивления, зависящий от формы, размеров

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

  При больших  скоростях движения:

  Fтр= k2v,

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 , приложенной к бруску параллельно поверхности его соприкосновения со столом, брусок остаётся в покое. Это означает, что на брусок действует сила равная по модулю внешней силе, но противоположно направленная. Эта сила является силой трения покоя.

  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  пропорциональна силе нормального давления:

   ,

  где – коэффициент 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 ( ).До определенного момента сила трения покоя увеличивается с возрастанием внешней силы, уравновешивая последнюю. Максимальное значение силы трения покоя пропорционально модулю силы Fд давления, производимого телом на опору.

  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.

  FН=Fд.    (2.20)

  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).

  Будем увеличивать  угол наклона a до тех пор, пока тело не начнет скользить вниз по наклонной  плоскости. В этот момент

  Fт=Fпmax    (2.21)

  Подставив в формулу (2.19) выражения (2.20) и (2.21), получим

  fп=Fт/Fн     (2.22)

  Из рис. 23 видно, что

  Fт=Fsin = mg sin ; Fн=Fcos = mg cos .

  Подставив эти значения Fт И Fн в формулу (2.22), получим 

  fн=sin /cos =tg .    (2.23)

  Измерив угол , при котором начинается скольжение тела, можно по формуле (2.25) вычислить значение коэффициента трения покоя fп.

              
 

                                Рис. 1.

                                                                                                                  

Рис. 2. Трение покоя. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Трения  скольжения.

    Трение  скольжения возникает при относительном  перемещении соприкасающихся тел.

  Сила трения скольжения всегда направлена в сторону, противоположную относительной  скорости соприкасающихся тел.

  Когда одно тело начинает скользить по поверхности  другого тела, связи между атомами (молекулами) первоначально неподвижных  тел разрываются, трение уменьшается. При дальнейшем относительном движении тел постоянно образуются новые связи между атомами. При этом сила трения скольжения остаётся постоянной, несколько меньшей силы трения покоя. Как и максимальная сила трения покоя, сила трения скольжения пропорциональна силе нормального давления и, следовательно, силе реакции опоры:

  

,

  где - коэффициент трения скольжения ( ), зависящий от свойств соприкасающихся поверхностей. 

 

Рис. 3. Трение скольжения 
 
 

Трение  качения.

  Одно из самых гениальных изобретений человечества – колесо. Оно использовалось для  транспортировки грузов ещё 5000 лет  назад. Хорошо известно, что несравненно легче везти груз на тележке, чем  тащить его.

  Когда колесо катиться без проскальзывания по поверхности, молекулярные связи разрываются  при подъёме участков колеса  быстрее, чем при скольжении. Поэтому  сила трения качения значительно  меньше силы трения скольжения.

  Сила трения качения пропорциональна силе реакции  опоры:

  

,

  где - коэффициент трения качения.

  Коэффициент трения качения много меньше коэффициента трения скольжения:

  

<< . 

Рис. 4. Трение качения

Рис. 4 а. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Значение  силы трения.

  Вообразим, что во всем мире некоему волшебнику удалось “выключить” трение. А теперь подумайте, к каким непредвиденным последствиям это привело бы. Во-первых, вы, разумеется, выяснили бы, что трение бывает отнюдь не всегда твердым, хотя именно от него в тысячах ситуаций стремятся избавиться. Например, смазывают детали механизмов и машин, чтобы уменьшить их износ и не терять впустую энергию, уходящую на бесполезный нагрев. Однако без трения мы не могли бы ходить, колёса машин без толку крутились бы на месте, бельевые прищепки не могли бы ничего удержать и. т. д.

  Во-вторых, продолжая теперь вместе наши фантазии, мы, в конце концов, добрались бы до причин, порождающих трение. И здесь открывается самое интересное. Во время скольжения одного предмета по другому происходит словно бы зацепление микроскопических бугорков друг за друга. Но если бы этих бугорков не было, то это не значило бы, что сдвинуть предмет или тащить его стало бы легче. Возник бы так называемый эффект прилипания, который вы легко обнаружите, пытаясь, скажем, сдвинуть стопку книг в глянцевой обложке вдоль поверхности полированного стола.

  Значит, не будь трения, не было бы этих крошечных  попыток каждой частички вещества удержать подле себя соседок. Но тогда как  вообще эти частички держались бы вместе? Иными словами внутри различных  тел исчезло бы стремление “жить  компанией”. То есть вещество развалилось бы до мельчайших деталек, как рассыпался бы на части от сотрясения домик из детского конструктора.

  Вот к  какому неожиданному выводу можно придти, если допустить отсутствие трения. С трением надо бороться, но абсолютно избавиться от него не получится, да и не надо.

  К этому  можно прибавить, что при отсутствии трения гвозди и винты выскальзывали  бы из стен, не одной вещи нельзя было бы удержать в руках, никакой вихрь  никогда бы не прекращался, никакой  звук не умолка, а звучал бы бесконечным эхом, неослабно отражаясь, например, от стен комнаты. Наглядный урок, убеждающий нас в огромной важности трения, дает нам каждый раз гололедица. Застигнутые ее на улице мы оказываемся беспомощны. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Практическая  часть.

  В связи  с огромным количеством дорожнотранспортных  происшествий мы решили определить тормозной  путь легкового автомобиля на трех разных покрытиях дороги, с целью  уменьшить количество аварий на дорогах.

  Используя динамометр, резину и три вида поверхностей, мы нашли коэффициент трения на каждой из поверхностей.

    

    
 

Сначала мы рассчитаем тормозной путь при скорости равной 54 км/ч, а затем при допустимой скорости в населенных пунктах 40 км/ч. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Нахождение  тормозного пути автомобиля по снегу.

  Дано: m=1250 кг, v=54 км/ч;

  Найти: S.

   СИ: v=54 км/ч=15 м/с;

  Формула:                       
 
 

  На  ox 
 
 
 

  Решение:

   а=0,57*9,8=5,586

  S=15*15 /(2*5,586)=20.14 м.

  Ответ: 20.14 м. 
 

Нахождение  тормозного пути автомобиля по льду.

  Дано: m=1250 кг, v=54 км/ч;

  Найти: S.

   СИ: v=54 км/ч=15 м/с;

  Формула: