Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

§ 3.13. Сила трения. природа и виды сил трения

Третий тип сил, с которыми имеют дело в механике, — это силы трения. Силы трения, как и силы упругости, имеют электромагнитную природу, т. е. в основе сил трения лежат электрические силы взаимодействия молекул. Главная особенность сил трения, отличающая их от гравитационных сил и сил упругости, состоит в том, что они зависят от скорости движения тел относительно друг друга.

Познакомимся сначала с силами трения между поверхностями твердых тел. Эти силы возникают при непосредственном соприкосновении тел и всегда направлены вдоль поверхностей соприкосновения в отличие от сил упругости, направленных перпендикулярно этим поверхностям. Сила трения возникает при движении одного тела по поверхности другого, но она может существовать между соприкасающимися твердыми телами, когда эти тела неподвижны относительно друг друга. Всегда силы трения препятствуют относительному перемещению тел.

Природа трения

Причина, по которой книга не соскальзывает со слегка наклонного стола, — шероховатость поверхности стола и обложки книги. Эта шероховатость заметна на ощупь, а под микроскопом видно, что поверхность твердого стола более всего напоминает горную страну. По этой же причине лошади нужно приложить большое усилие, чтобы сдвинуть с места тяжелый груз (рис. 3.31). Бесчисленные выступы цепляются друг за друга, деформируются и не дают книге или грузу скользить. Таким образом, сила трения покоя вызвана теми же силами взаимодействия молекул, что и обычная сила упругости.

При скольжении одного тела по поверхности другого происходит «скалывание» бугорков, разрыв молекулярных связей, не способных выдержать возросшую нагрузку. Обнаружить «скалывание» бугорков не представляет труда: результатом такого «скалывания» является износ трущихся деталей.

Казалось бы, чем тщательнее отполированы поверхности, тем меньше должна быть сила трения. До известной степени это так. Шлифовка снижает, например, силу трения между двумя стальными брусками, но не беспредельно. При дальнейшем увеличении гладкости поверхностей сила трения начинает расти. Дело здесь в следующем.

По мере сглаживания поверхностей они все плотнее и плотнее прилегают друг к другу. Однако до тех пор, пока высота неровностей превышает несколько молекулярных радиусов, силы взаимодействия между молекулами соседних поверхностей (кроме самих бугорков) отсутствуют. Ведь это очень короткодействующие силы. Их действие простирается на расстояния в несколько молекулярных радиусов. Лишь при достижении некоего совершенства шлифовки поверхности сблизятся настолько, что силы притяжения (сцепления) молекул охватят значительную часть поверхности соприкосновения брусков. Эти силы начнут препятствовать смещению брусков относительно друг друга, что приводит к увеличению силы трения покоя.

При скольжении гладких брусков рвутся молекулярные связи между молекулами на поверхности брусков, подобно тому как у шероховатых поверхностей разрушаются связи в самих бугорках. Разрыв молекулярных связей — вот то главное, чем отличаются силы трения от сил упругости, при возникновении которых таких разрывов не происходит. Именно поэтому силы трения зависят от скорости.

Ниже мы рассмотрим подробнее отдельные виды сил трения.

Трение покоя

Допустим, что вам нужно передвинуть шкаф. Вы действуете на него с силой, направленной горизонтально, но шкаф не сдвигается с места.

Это возможно только в том случае, когда приложенная к шкафу сила компенсируется (уравновешивается) какой-то другой силой. Эта сила, равная по модулю приложенной вами силе и направленная противоположно ей, и есть сила трения покоя.

Сила трения покоя — это сила, действующая на данное тело со стороны соприкасающегося с ним другого тела вдоль поверхности соприкосновения тел в случае, когда тела покоятся относительно друг друга.

Вы начинаете толкать шкаф сильнее, а он продолжает оставаться на месте. Значит, одновременно возрастает и сила трения покоя.

Сила трения покоя равна по модулю и направлена противоположно силе, приложенной к телу параллельно поверхности соприкосновения его с другим телом. Если параллельно этой поверхности не действуют никакие силы, то сила трения покоя равна нулю.

Увеличивая силу, действующую на шкаф, вы в конце концов сдвинете его с места. Следовательно, сила трения покоя может изменяться от нуля до некоторого наибольшего значения. Максимальное значение силы трения, при котором скольжение еще не наступает, называется максимальной силой трения покоя. Если действующая на покоящееся тело сила хотя бы немного превышает максимальную силу трения покоя, то тело начинает скользить.

Выясним, от чего зависит максимальная сила трения покоя. Для этого положим на стол тяжелый деревянный брусок и начнем тянуть его с помощью динамометра (рис. 3.32). Показания динамометра в тот момент, когда брусок начинает трогаться с места, будем записывать. Они соответствуют максимальной силе трения покоя (ее модулю). Будем нагружать брусок гирями, увеличивая вес бруска , следовательно, и силу реакции опоры , в два, три раза и т. д. Заметим, что модуль максимальной силы трения покоя F_max тоже увеличивается в два, три раза и т. д.

Рис. 3.32

Проделанный нами опыт и множество других подобных опытов позволяют сделать вывод о том, что максимальное значение модуля силы трения покоя прямо пропорционально модулю силы реакции опоры:

Здесь μ — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения покоя.

Коэффициент трения покоя зависит от материала, из которого изготовлены соприкасающиеся тела, качества обработки их поверхностей, но, как показывает опыт, не зависит от площади их соприкосновения. Если положить брусок на меньшую грань, мы получим то же значение для коэффициента трения покоя.

В опыте, изображенном на рисунке 3.32, сила трения покоя приложена не только к бруску, но и к столу. Действительно, если стол действует на брусок с силой трения покоя _тр1 направленной влево, то брусок действует на стол с силой трения _тр2, направленной вправо, при этом, согласно третьему закону Ньютона,

Почему же сила трения покоя может изменяться от нуля до максимального значения, равного μN? Вот как это происходит. При действии на тело некоторой силы оно слегка (незаметно для глаза) смещается. Это смещение продолжается до тех пор, пока микроскопические шероховатости поверхностей не расположатся так, что, зацепляясь друг за друга, они приведут к появлению силы трения, уравновешивающей силу . При увеличении силы тело опять чуть-чуть сдвинется так, что мельчайшие неровности поверхностей по-иному будут цепляться друг за друга и сила трения возрастет. Лишь при F > F_max ни при каком расположении поверхностей по отношению друг к другу сила трения не в состоянии уравновесить силу , и начинается скольжение.

Трение скольжения

Когда тело скользит по поверхности другого тела, на него тоже действует сила трения — сила трения скольжения. В этом можно убедиться на опыте. Прикрепленный к бруску динамометр при равномерном движении бруска по горизонтальной поверхности (рис. 3.33) показывает, что на брусок со стороны пружины динамометра действует постоянная сила упругости . Согласно второму закону Ньютона при равномерном движении бруска (ускорение а = 0) равнодействующая всех сил, приложенных к нему, равна нулю. Следовательно, кроме силы упругости (сила тяжести m и сила реакции опоры уравновешиваются) во время равномерного движения на брусок действует сила, равная по модулю силе упругости, но направленная противоположно ей. Эта сила и есть сила трения скольжения.

Рис. 3.33

Сила трения скольжения, как и максимальная сила трения покоя, зависит от силы реакции опоры , от материала трущихся тел и состояния их поверхностей. Существенно, что сила трения скольжения зависит также от относительной скорости движения тел. Во-первых, сила трения скольжения всегда направлена противоположно относительной скорости соприкасающихся тел. Это можно пояснить с помощью рисунка 3.34, на котором изображены два трущихся тела.

Рис. 3.34

Тело 1 движется относительно тела 2 со скоростью _{1, 2}, направленной вправо. К телу 1 приложена сила трения _тр1 направленная влево. Тело 2 движется относительно тела 1 влево со скоростью _{2, 1}, а приложенная к нему сила трения _тр2 направлена вправо.

Во-вторых, модуль силы трения скольжения зависит и от модуля относительной скорости трущихся тел. Зависимость модуля силы трения скольжения от модуля относительной скорости устанавливается экспериментально. Эта зависимость показана на рисунке 3.35. При малых относительных скоростях движения тел сила трения скольжения мало отличается от максимальной силы трения покоя. Поэтому приближенно можно считать ее постоянной и равной силе трения покоя:

Рис. 3.35

Коэффициенты трения для некоторых материалов приведены в таблице 5.

Таблица 5

Заметим, что модуль силы трения _тр обычно меньше модуля силы реакции опоры . Поэтому коэффициент трения скольжения меньше единицы. По этой причине любое тело легче перемещать волоком, чем поднимать или переносить.

Сила трения зависит от относительной скорости движения тел. В этом ее главное отличие от сил тяготения и упругости, зависящих только от координат.

Вопросы для самопроверки

• Тело массой m = 5 кг лежит на горизонтальной поверхности. Коэффициент трения μ = 0,2. На тело действует горизонтальная сила F = 5 Н. Чему равна сила трения, если тело остается в покое?