Силы трения

Проделаем несколько опытов.

Опыт 1. Поместим деревянный брусок на деревянный стол. Прикрепим к бруску динамометр и начнем прикладывать усилие к динамометру. Указатель динамометра покажет, что на брусок будет действовать сила , которая возрастает с ростом наших усилий. Брусок, несмотря на возрастание силы , некоторое время остается в покое. Покой же возможен в том случае, когда действие сил на тело компенсируется. Следовательно, можно предположить, что между бруском и столом возникает какая-то сила, противоположно направленная силе , действующей со стороны динамометра. Эту силу назвали силой трения покоя (рис.4.35).

Рис.4.35

Ее обозначают буквой . Опыт показывает, что с ростом силы будет расти и сила трения покоя .

Продолжим наши эксперименты.

Опыт 2. Будем увеличивать силу , действующую со стороны динамометра. В некоторый момент времени брусок все-таки сдвинется с места, и будет продолжать двигаться под действием некоторой постоянной силы равномерно и прямолинейно. Равномерность движения бруска означает, что на наш брусок действует сила, препятствующая его движению. Она равна по модулю силе и направлена противоположно ей. (рис.4.36).

Рис.4.36

Эту силу стали называть силой трения скольжения и обозначают буквой .

Опыт 3. Повторим данный опыт, поместив деревянный брусок на стеклянный стол. Мы обнаружим, что результаты опыта не изменятся. Изменится только численное значение сил , и . А это означает, что силы трения возникают на любых соприкасающихся поверхностях. Такой вид трения называется сухим трением.

Изучением сил сухого трения занимались французские физики Шарль Огюстен Кулон и Гильом Амонтон. Экспериментально они установили следующие законы сухого трения:

1. Максимальная сила трения покоя равна силе трения скольжения

2. Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормального давления, т.е.

(4.21),

где m - коэффициент пропорциональности, который определяется, родом материала, соприкасающихся поверхностей, качеством их обработки и т.д. Этот коэффициент пропорциональности называется коэффициентом трения скольжения.

3. Сила сухого трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

Формула (1) называется законом Кулона - Амонтона.

Опыт 4. Поместим на горизонтальный стол брусок и деревянный цилиндр одинаковой массы и приведем их в движении в одном направлении с одинаковой скоростью (рис. 4.37).

Рис.4.37

Эксперимент покажет, что цилиндр отъедет на гораздо большее расстояние, чем брусок. Это означает, что сила трения, действующая на цилиндр гораздо меньше, чем силы трения скольжения бруска. Необходимо обратить внимание на то, что в процессе движения брусок соприкасается с поверхностью стола только одной своей поверхностью, а цилиндр катится по ней. Сила трения, возникающая тогда, когда тело катится по какой-либо поверхности, называется трением качения. Величина этой силы находится по формуле

(4.22).

В этой формуле k - коэффициентом трения качения.

Необходимо отметить, что физический смысл коэффициента трения скольжения и коэффициента трения качения совершенно разный. Поэтому их нельзя сравнивать.

Проведя эти опыты, мы с вами выяснили, что существует три вида сухого трения: трение покоя, трение скольжения, трение качения.

Оказалось, что в природе существует и жидкое трение, которое возникает между соприкасающимися слоями жидкости и газа. Сила сопротивления, возникающая при движении твердых тел в жидкостях и газах, так же является силой жидкого трения. Жидкое трение изучал И. Ньютон. Жидкое трение гораздо меньше сухого трения. Законы жидкого трения, установленные Ньютоном, достаточно сложны и вы их узнаете при дальнейшем изучении физики.

Попытаемся разобраться в причине возникновения сил сухого трения. Поверхности соприкасающихся тел имеют шероховатости, чаще всего невидимые невооруженным глазом (рис.4.38).

рис.4.38

Шероховатости поверхности одного тела приходят в зацепление с шероховатостями поверхности соприкасающегося с ним тела, и при этом возникает деформация, появляется упругая сила, препятствующая относительному движению соприкасающихся тел. Это и есть сила сухого трения, которая, как и сила упругости, имеет электромагнитную природу.

Попробуем теперь объяснить законы сухого трения, установленные Кулоном и Амонтоном. Так, если тело лежит на горизонтальном столе, то шероховатости обоих поверхностей не деформированы вдоль этой поверхности. Следовательно, сила трения между ними равна нулю. Как только мы подействуем на тело динамометром вдоль стола, то возникнут деформации шероховатостей и появится сила трения, равная показаниям динамометра и противоположно направленная. Если при этом тело остается в покое, то эта сила и будет силой трения покоя. С ростом силы натяжения будет увеличиваться и сила трения покоя, т.к. возрастает деформация шероховатостей. Но, рано или поздно, произойдет срыв между зацеплениями шероховатостей, и тело придет в движение. В момент начала движения сила трения покоя достигает своего максимального значения и в дальнейшем она практически не изменяется. Сила трения, действующая в процессе движения, называется силой трения скольжения. Следовательно, максимальная сила трения покоя равна силе трения скольжения.

Очевидно и другое: если тело прижимать к поверхности все с большей силой (рис.4.38), то зацепление между шероховатостями соприкасающихся поверхностей увеличится, что приведет к увеличению силы трения. Это легко доказать опытным путем: при увеличении силы давления на тело, показания динамометра будут возрастать. Это доказывает закон Кулона – Амонтона.

Рис.4.39а и б

Если помещать деревянный брусок на стол разными его гранями, имеющие разные площади, и каждый раз двигать его равномерно и прямолинейно с помощью динамометра (рис.4.40), то можно обнаружить, что сила трения остается неизменной, т.е. сила трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей. Это подтверждает третий закон сухого трения.

рис.4.40

Понятно и то, что если отшлифовать соприкасающиеся поверхности, то сила трения уменьшится. Происходит это из-за того, что размеры шероховатостей уменьшаются.

Оказывается, что если поверхности будут отшлифованы так, что их шероховатости (бугорки, впадины) станут соизмеримыми с размерами атомов, то сила трения резко возрастет. Это происходит потому, что с уменьшением расстояния между атомами электромагнитные силы их взаимодействия возрастают.

Необходимо отметить, что в том случае, когда тело движется по горизонтальной поверхности под действием силы, направленной вдоль этой поверхности, то в роли силы нормального давления будет выступать сила тяжести mg. В этом случае сила трения скольжения будет равна:

Трение, как и любое физическое явление, может быть и вредным и полезным. В том случае, когда трение вредно, его стараются уменьшить. Для этого используют смазку, заменяя сухое трение жидким, применяют магнитную или воздушную подушку, применяют шариковые, роликовые подшипники или колеса, заменяя трение скольжения трением качения.

Когда же трение полезно, то его стараются увеличить. В гололед посыпают тротуары и дороги песком, применяют шипы на обуви или автошинах, или подбирают соприкасающиеся материалы с большим коэффициентом трения, например, материалы из резины.

Трудно представить себе, что происходило бы на Земле, если бы исчезли силы сухого трения.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какая сила называется силой трения?

2. Как возникает сила трения?

3. Какова природа силы трения?

4. В чем состоит различие между силой трения покоя и силой трения скольжения?

5. Какое трение называется сухим?

6. Каковы итоги исследования сухого трения Кулоном и Амонтоном?

7. Когда возникает сила трения качения?

8. От каких факторов зависит коэффициент трения скольжения?

9. Как изменится сила трения, если увеличить а)площадь соприкосновения двух тел; б)нагревать тела; в) отшлифовать соприкасающиеся поверхности?

10. Приведите примеры вредного и полезного проявления сил трения.

11. Какое трение называется жидким и как оно возникает?

12. Для чего смазывают трущиеся детали, например, солидолом?

13. Напишите реферат об исследованиях сухого трения, которые провели французские физики Ш.О. Кулон и Г. Амонтон.