Сила трения

Еще один вид сил, с которыми имеют дело в механике, — это силы трения.

Роль силы трения  в природе и технике.

Роль силы трения  в природе.

Посмотрите вокруг себя. Скажите, где вы наблюдали в природе проявление силы трения? Видите пи вы полезное действие сил трения?

У многих растений и животных имеются различные органы, служащие для хватания (усики растений, хобот слона, цепкие хвосты лазающих животных). Все они имеют шероховатую поверхность для увеличения силы трения.

Роль силы трения при начале движения

Значение сил трения можно проследить на примере движущегося автомобиля. Сила трения F₁ действующая со стороны поверхности Земли на ведомые колеса, и сила сопротивления воздуха F₂ направлены назад и способны только затормозить движение. Единственной внешней силой, способной увеличить скорость автомобиля, является сила трения F₃, действующая на ведущие колеса. Если бы не было этой силы, автомобиль буксовал бы на месте, несмотря на вращение ведущих колес.

Точно так же сила трения, действующая на ступни ног, сообщает нашему телу ускорение, необходимое для того, чтобы начать движение или остановиться.

Работа двигателя, приводящего во вращение ведущие колеса, и усилия мышц ног вызывают появление сил трения.

Препятствуя проскальзыванию, сила трения совершает полезное дело, ускоряя машину или наше собственное тело. Но без усилия со стороны двигателя или мышц ног увеличение скорости за счет силы трения невозможно.

Таким образом, с одной стороны, нужно принимать все меры к уменьшению сил трения, препятствующих движению, смазывая трущиеся части двигателя и придавая машине форму, при которой сопротивление воздуха минимально, а с другой стороны, приходится увеличивать полезное трение, посыпая, к примеру, дорогу песком в гололед.

Роль силы трения  в технике.

Зачем на губках тисков и плоскогубцев делают насечки? Для чего на автомобильных шинах делают рельефный рисунок (протектор)? В технике сила трения имеет большое значение. Во всех машинах из-за трения нагреваются и изнашиваются движущиеся части. Для уменьшения трения соприкасающиеся поверхности делают гладкими, между ними вводят смазку. Чтобы уменьшить трение вращающихся валов машин и станков, используют подшипники. Подшипники бывают шариковые и роликовые. Простейший подшипник состоит из внешнего кольца и внутреннего кольца. Внутреннее кольцо изготавливают из твердой стали, насаживают на вал. Наружное кольцо закрепляют в корпусе машины. При вращении вала внутреннее кольцо катиться на шариках или роликах, находящихся между кольцами.

Из опыта известно, что всякое тело, движущееся по горизонтальной поверхности другого тела, при отсутствии действия на него других сил с течением времени замедляет свое движение и в конце концов останавливается. Это можно объяснить существованием силы трения, которая препятствует скольжению соприкасающихся тел друг относительно друга. Силы трения зависят от относительных скоростей тел. Силы трения могут быть разной природы, но в результате их действия механическая энергия всегда превращается во внутреннюю энергию соприкасающихся тел.Различают внешнее (сухое) и внутреннее (жидкое или вязкое) трение. Внешним трением называется трение, возникающее в плоскости касания двух соприкасающихся тел при их относительном перемещении.

Далее будем рассматривать внешнее трение.

Виды трения.

Различают:

а) силу трения покоя - это та максимальная сила, которую надо приложить, чтобы сдвинуть тело с места;

б) силу трения скольжения - это та сила, которую надо преодолевать при скольжении одного тела по поверхности другого;

в) силу трения качения - это та сила, которую надо преодолевать при качении одного тела по поверхности другого.

1. Сила трения покоя.

Сила трения начинает действовать на тело, когда его пытаются сдвинуть с места. Попробуйте сдвинуть пальцем лежащую на столе толстую книгу. Книга будет оставаться на месте до тех пор, пока действующая на нее сила не достигнет определенного значения. Факт этот совершенно привычный, но, если вдуматься, достаточно странный и непонятный. Ведь что это значит? Вы приложили к книге некоторую силу, направленную, скажем, вдоль поверхности стола, а книга остается в покое. Следовательно, между книгой и поверхностью стола возникает сила, направленная против той силы, с которой вы действуете на книгу, и в точности равная ей по модулю. Вы с большей силой толкаете книгу, но она по-прежнему остается на месте. Значит, и сила F трения настолько же возрастает. Силу трения, действующую между двумя телами, неподвижными относительно друг друга, называют силой трения покоя.

Если внешняя сила F меньше произведения μN, то тело не будет сдвигаться — началу движения, как принято говорить, мешает сила трения покоя. Тело начнет движение только тогда, когда внешняя сила F превысит максимальное значение, которое может иметь сила трения покоя.

   Трение покоя – сила трения, препятствующая возникновению движению одного тела по поверхности другого.

 Направление и точка приложения.

Она действует в направлении, противоположном направлению возможного относительного движения. Однако, при движении тела в жидкости или газе сила трения покоя равна нулю.

В 1779 году французский физик Кулон установил, от чего зависит максимальная сила трения покоя. Оказалось, что сила трения покоя зависит от того, с какой силой прижимаются друг к другу соприкасающиеся предметы. Также было установлено, что трение покоя зависит от материала соприкасающихся поверхностей.

Примером силы трения покоя может служить эскалатор со стоящим на нем человеком. Также эта сила проявляется в забитом в доску гвозде, завязанном банте или шнурке и т.д.

Максимальная сила трения покоя в простейшем приближении:

, μ где  — коэффициент трения покоя, N — сила нормальной реакции опоры.

2. Сила трения скольжения

Если тело скользит по какой-либо поверхности, его движению препятствует сила трения скольжения.

Сила трения скольжения — силы, возникающие между соприкасающимися телами при их относительном движении.

Определяется сила трения по формуле:, 

Коэффициент μ зависит от материала и качества обработки соприкасающихся поверхностей и не зависит от веса тела. Коэффициент трения определяется опытным путем.

 Направление и точка приложения. Сила трения скольжения всегда направлена противоположно движению тела. При изменении направления скорости изменяется и направление силы трения.

Сила приложена в точке соприкосновения двух поверхностей.

Так как тело представляем в виде материальной точки, силу можно изображать с центра.

3. Сила трения качения

Если тело не скользит, а катится по поверхности, то трение называется трением качения. При движении колес вагона, автомобиля, при перекатывании бревен или бочек по земле проявляется сила трения качения. Сила трения качения меньше силы трения скольжения.
Сила, возникающая при качении тела по поверхности без проскальзывания, называется силой трения качения.

Вывод: В некоторых случаях трение полезно (без трения невозможно было бы ходить по земле человеку, животным, двигаться автомобилям, поездам и т.д.), в таких случаях трение усиливают (посыпают дорожки песком – зимой). Но в других случаях трение вредно. Например, из-за него изнашиваются трущиеся детали механизмов, расходуется лишнее горючее на транспорте и т.д. Тогда с трением борются, применяя смазку («жидкостную или воздушную подушку») или заменяя скольжение на качение (поскольку трение качения характеризуется значительно меньшими силами, нежели трение скольжения).

Силы трения, в отличие от гравитационных сил и сил упругости, не зависят от координат относительного расположения тел, они могут зависеть от скорости относительного движения соприкасающихся тел. Силы трения являются внешними силами.

Контрольное задание.

1. Составить план обобщенного характера

План изучения величин: Сила трения

2. Решите задачи:

1. Упряжка собак при движении саней по снегу может действовать с максимальной силой 0,5 кН. Какой массы сани с грузом может перемещать упряжка, если коэффициент трения равен 0,1?

2. На каком минимальном расстоянии от перекрестка должен тормозить при красном свете светофора автомобиль, движущийся со скоростью 80 км/ч, если коэффициент трения между шинами и дорогой равен 0,5?

3. Поезд массой 3000 т  трогается с места и движется по горизонтальному пути под действием постоянной силы тяги локомотива, равной 400 000 Н. Коэффициент сопротивлению движению равен 0,005. Определить ускорение поезда и скорость, достигнутую им в конце пятой секунды от начала движения.

4. Троллейбус, масса которого 12 т , за 5с от начала движения проходит по горизонтальному пути расстояние 10м. Определить силу тяги, развиваемую двигателями, если коэффициент сопротивления движению равен 0,02..

Домашнее задание:

Вопросы:

1. При каких условиях появляются силы трения?

2. От чего зависят модуль и направление силы трения покоя?

3. В каких пределах может изменяться сила трения покоя?

4. Какая сила сообщает ускорение автомобилю или тепловозу?

5. Может ли сила трения скольжения увеличить скорость тела?

6. В чем состоит главное отличие силы сопротивления в жидкостях и газах от силы трения между двумя твердыми телами!

7. Приведите примеры полезного и вредного действия сил трения всех видов

Задачи:

1. При помощи динамометра ученик перемещал деревянный брусок массой 200 г по горизонтально расположенной доске^]. Каков коэффициент трения, если динамометр показы­вал 0,6 Н?

2. На соревнованиях лошадей тяжелоупряжных пород одна из них перевезла груз массой 23 т. Найти коэффици­ент трения, если сила тяги лошади 2,3 кН.