Site Loader

Содержание

Закон силы трения: объясняем сложную тему простыми словами

Определение силы трения

Когда мы говорим «абсолютно гладкая поверхность» — это значит, что между ней и телом нет трения. Такая ситуация в реальной жизни практически невозможна. Избавиться от трения полностью невероятно трудно.

Чаще при слове «трение» нам приходит в голову его «тёмная» сторона —  из-за трения скрипят и  прекращают качаться качели, изнашиваются детали машин. Но представьте, что вы стоите на идеально гладкой поверхности, и вам надо идти или бежать. Вот тут трение бы, несомненно, пригодилось. Без него вы не сможете сделать ни шагу, ведь между ботинком и поверхностью нет сцепления, и вам не от чего оттолкнуться, чтобы двигаться вперёд.

Трение — это взаимодействие, которое возникает в плоскости контакта поверхностей соприкасающихся тел.
Сила трения — это величина, которая характеризует это взаимодействие по величине и направлению. 

Основная особенность: сила трения приложена к обоим телам, поверхности которых соприкасаются, и направлена в сторону, противоположную мгновенной скорости движения тел друг относительно друга. Поэтому тела, свободно скользящие по какой-либо горизонтальной поверхности, в конце концов остановятся. Чтобы тело двигалось по горизонтальной поверхности без торможения, к нему надо прикладывать усилие, противоположное и хотя бы равное силе трения. В этом заключается суть силы трения. 

Откуда берётся трение

Трение возникает по двум причинам:

  1. Все тела имеют шероховатости. Даже у очень хорошо отшлифованных металлов в электронный микроскоп видны неровности. Абсолютно гладкие поверхности бывают только в идеальном мире задач, в которых трением можно пренебречь. Именно упругие и неупругие деформации неровностей при контакте трущихся поверхностей формируют силу трения. 
  2. Между атомами и молекулами поверхностей тел действуют электромагнитные силы притяжения и отталкивания. Таким образом, сила трения имеет электромагнитную природу.

Виды силы трения


В зависимости от вида трущихся поверхностей, различают сухое и вязкое трение. В свою очередь, оба подразделяются на другие виды силы трения.

  1. Сухое трение возникает в области контакта поверхностей твёрдых тел в отсутствие жидкой или газообразной прослойки. Этот вид трения может возникать даже в состоянии покоя или в результате перекатывания одного тела по другому, поэтому здесь выделяют три вида силы трения:
  • трение скольжения,
  • трение покоя,
  • трение качения.  
  1. Вязкое трение возникает при движении твёрдого тела в жидкости или газе. Оно препятствует движению лодки, которая скользит по реке, или воздействует на летящий самолёт со стороны воздуха. Интересная особенность вязкого трения в том, что отсутствует трение покоя. Попробуйте сдвинуть пальцем лежащий на земле деревянный брус и проделайте тот же эксперимент, опустив брус на воду. Чтобы сдвинуть брус с места в воде, будет достаточно сколь угодно малой силы. Однако по мере роста скорости силы вязкого трения сильно увеличиваются.

Сила трения покоя 


Рассмотрим силу трения покоя подробнее.

Обычная ситуация: на кухне имеется холодильник,  его нужно переставить на другое место.

Когда никто не пытается двигать холодильник, стоящий на горизонтальном полу, трения между ним и полом нет. Но как только его начинают толкать, коварная сила трения покоя тут же возникает и полностью компенсирует усилие. Причина её возникновения — те самые неровности соприкасающихся поверхностей, которые деформируясь, препятствуют движению холодильника. Поднатужились, увеличили силу,  приложенную к холодильнику, но он не поддался и остался на месте. Это означает, что сила трения покоя возрастает вместе с увеличением внешнего воздействия, оставаясь равной по модулю приложенной силе, ведь увеличиваются деформации неровностей.

Пока силы равны,  холодильник остаётся на месте:

Сила трения, которая действует между поверхностями покоящихся тел и препятствует возникновению движения, называется силой трения покоя

Сила трения скольжения


Что же делать с холодильником и можно ли победить силу трения покоя? Не будет же она расти до бесконечности? 

Зовём на помощь друга, и вдвоём уже удаётся передвинуть холодильник. Получается, чтобы тело двигалось, нужно приложить силу, большую, чем самая большая сила трения покоя: 

Теперь на движущийся холодильник действует

сила трения скольжения. Она возникает при относительном движении контактирующих твёрдых тел.

Итак, сила трения покоя может меняться от нуля до некоторого максимального значения — Fтр. пок. макс  И если приложенная сила больше,  чем Fтр. пок. макс, то у холодильника появляется шанс сдвинуться с места.

Теперь, после начала движения, можно прекратить наращивать усилие и ещё  одного друга можно не звать. Чтобы холодильник продолжал двигаться равномерно, достаточно прикладывать силу, равную силе трения скольжения: 

Как рассчитать и измерить силу трения


Чтобы понять, как измеряется сила трения, нужно понять, какие факторы влияют на величину силы трения. Почему так трудно двигать холодильник?

Самое очевидное — его масса играет первостепенную роль. Можно вытащить из него все продукты и тем самым уменьшить его массу, и, следовательно, силу давления холодильника на опору (пол). Пустой холодильник сдвинуть с места гораздо легче!

Следовательно, чем меньше сила нормального давления тела на поверхность опоры, тем меньше и сила трения. Опора действует на тело с точно такой же силой, что и тело на опору, только направленной в противоположную сторону. 

Сила реакции опоры обозначается N. Можно сделать вывод

Второй фактор, влияющий на величину силы трения, — материал и степень обработки соприкасающихся поверхностей. Так, двигать холодильник по бетонному полу гораздо тяжелее, чем по ламинату. Зависимость силы трения от рода и качества обработки материала обеих соприкасающихся поверхностей выражают через коэффициент трения.  

Коэффициент трения обозначается буквой μ (греческая буква «мю»). Коэффициент определяется отношением силы трения к силе нормального давления. 

Он чаще всего попадает в интервал  от нуля до единицы, не имеет размерности и определяется экспериментально.

Можно предположить, что сила трения зависит также от площади соприкасающихся поверхностей. Однако, положив холодильник набок, мы не облегчим себе задачу.

Ещё Леонардо да Винчи экспериментально доказал, что сила трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей при прочих равных условиях.  

Сила трения скольжения, возникающая при контакте твёрдого тела с поверхностью другого твёрдого тела прямо пропорциональна силе нормального давления и не зависит от площади контакта. 

Этот факт отражён в законе Амонтона-Кулона, который можно записать формулой:

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

Для тела, движущегося по горизонтальной поверхности, сила реакции опоры по модулю равна весу тела: 

Сила трения качения


Ещё древние строители заметили, что если тяжёлый предмет водрузить на колёсики, то сдвинуть с места и затем  катить его будет гораздо легче, чем тянуть волоком. Вот бы пригодилась эта древняя мудрость, когда мы тянули холодильник!  Однако всё равно нужно толкать или тянуть тело, чтобы оно не остановилось. Значит, на него действует

сила трения качения. Это сила сопротивления движению при перекатывании одного тела по поверхности другого.

Причина трения качения — деформация катка и опорной поверхности. Сила трения качения может быть в сотни раз меньше силы трения скольжения при той же силе давления на поверхность. Примерами уменьшения силы трения за счёт подмены трения скольжения на трение качения служат такие приспособления, как подшипники, колёсики у чемоданов и сумок, ролики на прокатных станах.

Направление силы трения

Сила трения скольжения всегда направлена противоположно скорости относительного движения соприкасающихся тел. Важно помнить, что на каждое из соприкасающихся тел действует своя сила трения.

Бывают ситуации, когда сила трения не препятствует движению, а совсем наоборот.

Представьте, что на ленте транспортёра лежит чемодан. Лента трогается с места, и чемодан движется вместе с ней. Сила трения между лентой и чемоданом оказалась достаточной, чтобы преодолеть инерцию чемодана, и эти тела движутся как одно целое. На чемодан действует сила трения покоя, возникающая при взаимодействии соприкасающихся поверхностей, которая направлена по ходу движения ленты транспортёра.

 Если бы лента была абсолютно гладкой, то чемодан начал бы скользить по ней, стремясь сохранить своё состояние покоя. Напомним, что это явление называется инерцией.

Сила трения покоя, помогающая нам ходить и бегать, также направлена не против движения, а вперёд по ходу перемещения. При повороте же автомобиля  сила трения покоя и вовсе направлена к  центру окружности. 

Для того чтобы понять, как направлена сила трения покоя, нужно предположить, в каком направлении стало бы двигаться тело, будь поверхность идеально гладкой. Сила трения покоя в этом случае будет направлена как раз в противоположную сторону. Пример, лестница у стены.

Подведём итоги


  1. Сила трения покоя меняется от нуля до максимального значения 0 < Fтр.покоя < Fтр.пок.макс  в зависимости от внешнего воздействия.
  2. Максимальная сила трения покоя почти равна силе трения скольжения, лишь немного её превышая. Можно приближенно считать, что Fтр. = Fтр.пок.макс 
  3. Силу трения скольжения можно рассчитать по формуле Fтр. = μ ⋅ N,  где  μ — коэффициент трения, N — сила нормальной реакции опоры.
  4. При равномерном прямолинейном скольжении по горизонтальной поверхности сила тяги равна силе трения скольжения Fтр. = Fтяги.
  5. Коэффициент трения μ зависит от рода и степени обработки  поверхностей 0 < μ < 1 . 
  6. При одинаковых силе нормального давления и коэффициенте трения сила трения качения всегда меньше силы трения скольжения.
Учите физику вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду
PHYSICS72020 вы получите бесплатный доступ к курсу физики 7 класса, в котором изучается закон силы трения. 

Задачи на силу трения


Проверьте, насколько хорошо вы разобрались в теме «Сила трения», — решите несколько задач. Решение — приведено ниже. Но чур не смотреть, пока не попробуете разобраться сами.

  1. Однажды в день открытия железной дороги произошёл конфуз: угодливый чиновник, желая выслужиться перед Николаем I, приказал выкрасить рельсы белой масляной краской. Какая возникла проблема и как её удалось решить с помощью сажи?
  2. В один зимний день бабушка Нюра катала внука Алексея по заснеженной горизонтальной дороге. Чему равен коэффициент трения полозьев о снег, если сила трения, действующая на санки, равна 250 Н, а их масса вместе с Алексеем составляет 50 кг?
  3. На брусок массой m = 5 кг, находящийся на горизонтальной шероховатой поверхности μ = 0,7, начинает действовать сила F = 25 Н, направленная вдоль плоскости. Чему при этом равна сила трения, действующая на брусок?

Решения

  1. Масляная краска снизила коэффициент трения между колёсами и рельсами, что привело к пробуксовке, поезд не смог двигаться вперёд. Посыпав рельсы сажей, удалось решить проблему, так как коэффициент трения увеличился, и колёса перестали буксовать.
  2. Санки находятся в движении, следовательно, на них будет действовать сила трения скольжения, численно равная Fтр. = μ ⋅ N, где N — сила реакции опоры, которая, при условии горизонтальной поверхности, равняется весу санок с мальчиком: N = m ⋅ g.  Получаем формулу Fтр. = μ ⋅ m ⋅ g  , откуда выразим искомую величину 

Ответ задачи зависит от того, сдвинется ли брусок под действием внешнего воздействия. Поэтому вначале узнаем значение силы, которую нужно приложить к бруску для скольжения. Это будет максимально возможная сила трения покоя, определяющаяся по формуле Fтр. = μ ⋅ N , где N = mg (при условии горизонтальной поверхности). Подставляя значения, получаем, что Fтр. = 35 Н. Данное значение больше прикладываемой силы, следовательно брусок не сдвинется с места. Тогда сила трения покоя будет равна внешней силе: Fтр. = F = 25 H .

Сила трения скольжения — урок. Физика, 9 класс.

Сила трения скольжения возникает, если одно тело скользит по поверхности другого тела. Трение скольжения характеризуется силой трения, которая тормозит движение скольжения.

Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе реакции опоры и коэффициенту трения скольжения.

Сила трения равна произведению коэффициента трения скольжения на силу реакции опоры и вычисляется по формуле: Fтр=μ⋅Fр.

При увеличении веса тела и коэффициента трения увеличивается сила трения. Сила трения скольжения действует в тех случаях, когда тело движется или его пытаются сдвинуть с места.

Сила реакции опоры — сила, при помощи которой опора действует на тело. Сила реакции опоры — сила, при помощи которой опора давит на тело, которое находится на ней. Из третьего закона Ньютона следует, что сила реакции опоры всегда равна силе, при помощи которой тело воздействует на опору. На неподвижной горизонтальной поверхности сила реакции опоры всегда равна весу тела или силе тяжести: Fр=Fт. На наклонной плоскости сила тяжести и сила, при помощи которой тело воздействует на опору, различаются.

 

Обрати внимание!

Сила реакции опоры всегда направлена перпендикулярно поверхности опоры.

      

 

Коэффициент трения скольжения — отношение силы трения к силе реакции опоры. Коэффициент трения между двумя любыми материалами легко определить, если возможно измерить силу трения, которая равна силе тяги, при которой тело перемещается равномерно, и силу тяжести, которая на горизонтальной поверхности равна силе реакции опоры. В таблице представлены различные коэффициенты трения скольжения.

 

Пары материаловКоэффициент трения скольжения
Сталь — лёд (коньки)\(0,015\)
Древесина — древесина\(0,2\)–\(0,5\)
Покрышка — мокрый асфальт\(0,35\)–\(0,45\)
Покрышка — сухой асфальт\(0,50\)–\(0,75\)

 

Обрати внимание!

Коэффициент трения скольжения не имеет размерности.

Если сравнивать коэффициенты трения покрышки на сухом и мокром асфальте, то на мокром асфальте у одной и той же машины коэффициент трения, а также сила трения почти в \(2\) раза меньше, чем на сухом асфальте. В результате также увеличивается замедление торможения почти в \(2\) раза, поэтому тормозной путь может увеличиться почти в \(4\) раза.

У силы трения имеются как положительные, так и отрицательные свойства. Если бы не было силы трения, то мы не могли бы оттолкнуться при ходьбе от земли, а машина не могла бы «оттолкнуться» от поверхности дороги. Но в технике трение между различными вращающимися и скользящими поверхностями весьма нежелательно, поэтому такое оборудование смазывают, чтобы снизить влияние силы трения.

Урок 10. силы трения — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 10. Силы трения

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

  1. Сухое и жидкое (вязкое) трение.
  2. Максимальная сила трения покоя.
  3. Формула для вычисления силы трения скольжения.
  4. Особенности сил сопротивления при движении твердых тел в жидкостях и газах.
  5. Формулы вычисления сил сопротивления при движении твердых тел в жидкостях и газах.

Глоссарий по теме:

Сухое трение — трение, возникающее при соприкосновении двух твёрдых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки.

Сила трения покоя — сила трения, действующая между двумя телами, неподвижными относительно друг друга.

Максимальная сила трения покоя — наибольшее значение силы трения, при котором скольжение еще не наступает.

Сила трения скольжения — сила, возникающая между соприкасающимися телами при их относительном движении.

Трение качения — сопротивление движению, возникающее при перекатывании тел друг по другу т.е. сопротивление качению одного тела (катка) по поверхности другого

Основная и дополнительная литература по теме урока:

  1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 113 – 122.
  2. Парфентьева Н. А. Сборник задач по физике. 10-11 классы. Базовый уровень.

Открытые электронные ресурсы:

http://kvant.mccme.ru/1978/05/kuda_napravlena_sila_treniya.htm

http://kvant.mccme.ru/1985/10/trenie_vrednoe_poleznoe_intere.htm

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Трение – физическое явление, сопровождающее всякое движение на Земле. При любом механическом движении тела соприкасаются либо друг с другом, либо с окружающей их сплошной жидкой или газообразной средой. В результате соприкосновения возникает сила трения, которая препятствует движению. Трение может быть полезно, и тогда мы стремимся его увеличить. В случаях, когда трение вредно, принимаются меры для его уменьшения.

История открытия. Свой вклад в попытки объяснить природу трения внесли многие ученые, начиная с Аристотеля, Леонардо да Винчи, Амонтона, Леонарда Эйлера, Кулона. Дальнейший вклад в теорию трения сделали Майер, Джоуль, Гельмгольц, Кузнецов, Дерягин, Томлинсон, Рейнольдс, Штрибек, Боуден и другие.

Различают следующие виды трения:

  1. сухое;
  2. жидкое (вязкое).

Сухое трение бывает трех видов:

  1. трение покоя;
  2. трение скольжения;
  3. трение качения.

Причины возникновения силы трения:

  1. шероховатость поверхностей соприкасающихся тел.
  2. взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел.

Сухое трение − трение, возникающее при соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки. Силы сухого трения всегда направлены по касательной к соприкасающимся поверхностям.

Сухое трение, возникающее при относительном покое тел, называют трением покоя.

Сухое трение, возникающее при относительном движении тел, называют трением скольжения.

Трение качения возникает, когда одно тело катится по поверхности другого тела.

Закон, выражающий зависимость максимального значения модуля силы трения покоя от модуля силы нормальной реакции опоры впервые экспериментально установил французский военный инженер и учёный-физик Шарль Огюстен де Кулон. Согласно этому закону, максимальное значение модуля силы трения покоя прямо пропорционально модулю силы нормальной реакции опоры

Fтр.макс = µN,

где Fтр.макс — модуль максимальной силы трения покоя, µ- коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения покоя.

Коэффициент трения µ характеризует обе трущиеся поверхности и зависит не только от материала этих поверхностей, но и от качества их обработки. Коэффициент трения определяется экспериментально.

Трение скольжения. Сила трения скольжения также направлена вдоль поверхности соприкосновения тел, но в отличие от силы трения покоя, которая противоположна внешней силе, стремящейся сдвинуть тело, сила трения скольжения всегда направлена противоположно относительной скорости. Модуль силы трения скольжения, как и максимальной силы трения покоя, тоже пропорционален прижимающей силе, а значит, нормальной силе реакции опоры:

При не слишком больших относительных скоростях движения сила трения скольжения мало отличается от максимальной силы трения покоя. Поэтому приближенно можно считать ее постоянной и равной максимальной силе трения покоя:

Fтр ≈ Fтр.макс = µN.

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

При движении твердого тела в жидкости или газе возникает силa жидкого (вязкого) трения. Сила жидкого трения значительно меньше силы сухого трения. Эта сила направлена против скорости тела относительно среды и тормозит движение.

Главная особенность силы сопротивления состоит в том, что она появляется только при наличии относительного движения тела и окружающей среды. Сила трения покоя в жидкостях и газах полностью отсутствует. Поэтому усилием рук можно сдвинуть тяжелую баржу в воде, а сдвинуть поезд усилием рук невозможно.

Модуль силы сопротивления Fc зависит от размеров, формы и состояния поверхности тела, свойств среды (жидкости или газа), в которой тело движется, и, наконец, от относительной скорости движения тела и среды.

Примерный характер зависимости модуля силы сопротивления от модуля относительной скорости тела показан на рисунке

При относительной скорости, равной нулю, сила сопротивления не действует на тело (Fc=0). С увеличением относительной скорости сила сопротивления сначала растет медленно, а затем все быстрее и быстрее. При малых скоростях движения силу сопротивления можно считать прямо пропорциональной скорости движения тела относительно среды:

Fc = k1v, (1)

где k1— коэффициент сопротивления, зависящий от формы, размеров, состояния поверхности тела и свойств среды — ее вязкости.

Вычислить коэффициент k1 теоретически для тел сколько-нибудь сложной формы не представляется возможным, его определяют опытным путем.

При больших скоростях относительного движения сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости:

Fc = k2v2, (2)

где k2 — коэффициент сопротивления, отличный от k1.

Только опытным путём можно определить, какая из формул — (1) или (2) — подходит для использования в конкретной практической задаче.

Итак, основными особенностями силы сопротивления, действующей на тело, являются:

1) отсутствие силы трения покоя; 2) зависимость от относительной скорости движения.

Примеры и разбор решения заданий

1. Какая сила не позволяет человеку сдвинуть с места дом?

  1. Силы трения скольжения;
  2. сила трения покоя;
  3. сила тяжести.

Ответ: 2) Сила трения покоя.

2. Деревянный ящик равномерно движется по поверхности длинного стола. Сила давления ящика на поверхность равна 30 Н, сила трения 6 Н. Найдите коэффициент трения скольжения.

Решение.

Воспользуемся формулой, которая связывает силу давления на плоскость, силу трения и коэффициент трения Fтр = µP. Из этой формулы легко получить формулу для расчёта коэффициента трения µ = Fтр / P. Подставляя в неё численные значения, получаем:

µ = Fтр / P = 6Н/30Н = 0,2.

Ответ: 0,2.

3. Кубик из детского конструктора покоится на наклонной плоскости, образующей угол α = 40° с горизонтом. Сила трения покоя равна 0,32 Н. Определите значение силы тяжести, которая действует на кубик.

Решение.

По условию задачи кубик покоится. Следовательно, сумма всех действующих на него сил равна нулю. В проекции на ось, идущей вдоль склона плоскости, получаем соотношение: mg sin α – Fтр = 0. Из него выражаем формулу для расчета силы тяжести, действующей на кубик

Ответ: 0,5 Н.

Сила Трения — Определение, Формула, Виды, Как найти?

Сила трения: величина, направление

С силой трения вы сталкиваетесь буквально каждую секунду. Каждый раз, когда вы взаимодействуете с любой поверхностью — идете по асфальту, сидите на стуле, пьете чай из чашки — на вас действует сила трения.

Трение — это и есть взаимодействие в плоскости соприкосновения двух поверхностей.

Чтобы перевести трение на язык математики, вводится понятие сила трения.

Сила трения — это величина, которая характеризует процесс трения по величине и направлению.

Измеряется сила трения, как и любая сила — в Ньютонах.

Возникает сила трения по двум причинам:

  • Различные шероховатости, царапины и прочие «несовершенства» поверхностей. Эти дефекты задевают друг друга при соприкосновении и создается сила, тормозящая движение.
  • Когда контактирующие поверхности практически гладкие (до идеала довести невозможно, но стремиться к нему — значит устремлять силу трения к нулю), то расстояние между ними становится минимальным.
    В этом случае возникает взаимное притяжение молекул вещества этих поверхностей. Притяжение обусловлено взаимодействием между электрическими зарядами атомов. В связи с этим можно часто услышать формулировку «Сила трения — сила электромагнитной природы»

Направлена сила трения всегда против скорости тела. В этом плане все просто, но всегда есть вопрос:


В задачах часто пишут что-то вроде: «Поверхность считать идеально гладкой». Это значит, что сила трения в данной задаче отсутствует. Да, в реальной жизни это невозможно, но во имя красивой математической модели трением часто пренебрегают.

Не переживайте из-за этой несправедливости, а просто решайте задачи без трения, если увидели словосочетание «гладкая поверхность».

Сухое и вязкое трение

Есть очень большая разница между вашим соприкосновением с водой в бассейне во время плавания и соприкосновением между асфальтом и колесами вашего велосипеда.

В случае с плаванием мы имеем дело с вязким трением — явлением сопротивления при движении твердого тела в жидкости или воздухе. Самолет тоже подвергается вязкому трению и вон тот наглый голубь из вашего двора.

А вот сухое трение — это явление сопротивления при соприкосновении двух твердых тел. Например, если школьник ерзает на стуле или злодей из фильма потирает ладоши — это будет сухое трение.

А если злодей чистоплотный и потирает ладоши, капнув на них антисептик?

Тогда это вязкое трение, не смотря на то, что руки — твердые тела. В данном случае есть влажная прослойка.

Вязкое трение в школьном курсе физики не рассматривается подробно, а вот сухое — разбирают вдоль и поперек. У сухого трения также есть разновидности, давайте о них поговорим.

Трение покоя

Если вы решите сдвинуть с места грузовик, вряд ли у вас это получится. Не то, чтобы мы в вас не верим — просто это невозможно сделать из-за того, что масса человека во много раз меньше массы грузовика, да еще и сила трения мешает это сделать. Мир жесток, что тут поделать.

В случае, когда сила трения есть, но тело не двигается с места, мы имеем дело с силой трения покоя.

Сила трения покоя равна силе тяги. Например, если вы пытаетесь сдвинуть с места санки, действуя на них с силой тяги 10 Н, то сила трения будет равна 10 Н.

Сила трения покоя

Fтр = Fтяги

Fтр — сила трения скольжения [Н]

Fтяги — сила тяги[Н]

Немного потренируемся!

Задача

Найти силу трения покоя для тела, на которое действуют сила тяги в 4 Н.

Решение:

Тело покоится, значит

Fтр = Fтяги = 4 Н

Ответ: сила трения равна 4 Н.

Трение скольжения

А теперь давайте скользить на коньках по льду. Каток достаточно гладкий, но, как мы уже выяснили, сила трения все равно будет присутствовать и вычисляться будет по формуле:

Сила трения скольжения

Fтр = μN

Fтр — сила трения скольжения [Н]

μ — коэффициент трения [-]

N — сила реакции опоры [Н]

Сила трения, которую мы получим по этой формуле будет максимально возможной — то есть больше уже никуда.

Сила реакции опоры — это сила, с которой опора действует на тело. Она численно равна силе нормального давления и противоположна по направлению.


Сила нормального давления — это то же самое, что и вес тела?

Не совсем. Сила нормального давления направлена всегда перпендикулярно поверхности (нормаль — перпендикуляр к поверхности). Вес не обязательно направлен перпендикулярно поверхности.

В рамках школьного курса вес всегда направлен перпендикулярно поверхности, поэтому силу реакции опоры можно численно приравнивать к весу.

Подробнее про вес тела читайте в нашей статье😇

Также, если тело находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры будет равна силе тяжести: N = mg.

Коэффициент трения — это характеристика поверхности. Он определяется экспериментально, не имеет размерности и показывает, насколько поверхность гладкая — чем больше коэффициент, тем более шероховатая поверхность. Коэффициент трения положителен и чаще всего меньше единицы.

Будем бдительны!

Из формулы не следует зависимость силы трения от площади соприкосновения. Например, если вы положите брусок на один бок и протащите по столу, а потом перевернете на другой, не равный по площади, и сделаете то же самое — сила трения не изменится.

Задача 1

Масса котика, лежащего на столе, составляет 5кг. Коэффициент трения µ=0,2. К коту прилагают внешнюю силу, равную 2,5Н. Какая сила трения при этом возникает?

Решение:

По условию данной задачи невозможно понять, двигается наш котик или нет. Решение о том, приравниваем ли мы к силе тяги силу трения, принять сразу нельзя. В таких случаях нужно все-таки рассчитать по формуле:

F=μN

Так как котик лежит на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в данном случае равна силе тяжести: N = mg.

F=μmg=0,2∗5∗10=10Н

Мы получили максимально возможную силу трения. Внешняя сила по условию задачи меньше максимальной. Это значит, что котик находится в покое. Сила трения уравновешивает внешнюю силу. Следовательно, она равняется 2,5Н.

Ответ: возникает сила трения величиной 2,5 Н

Задача 2

Барсук скользит по горизонтальной плоскости. Найти коэффициент трения, если сила трения равна 5 Н, а сила давления тела на плоскость – 20 Н.

Решение:

В данной задаче нам известно, что барсучок скользит. Значит нужно воспользоваться формулой:

Fтр = μN

Так как барсук находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в данном случае равна силе давления на плоскость: N = Fд.

Fтр = μFд

Выражаем коэффициент трения:

μ = Fтр/Fд = 5/20 = 0,25

Ответ: коэффициент трения равен 0,25

Задача 3

Пудель вашей бабушки массой 5 килограмм скользит по горизонтальной поверхности. Сила трения скольжения равна 20 Н. Найдите силу трения, если пудель сильно похудеет, и его масса уменьшится в два раза, а коэффициент трения останется неизменным.

Решение:

В данной задаче нам известно, что пудель скользит. Значит, нужно воспользоваться формулой:

Fтр = μN

Так как пудель находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в данном случае равна силе тяжести: N = mg.

Fтр=μmg

Выразим коэффициент трения:

μ = Fтр/mg = 20/5*10 = 0,4

Теперь рассчитаем силу трения для массы, меньшей в два раза:

Ответ: сила трения будет равна 10 Н.

Задача 4

Ученик провел эксперимент по изучению силы трения скольжения, перемещая брусок с грузами равномерно по горизонтальным поверхностям с помощью динамометра.


Результаты экспериментальных измерений массы бруска с грузами m, площади соприкосновения бруска и поверхности S и приложенной силы F представлены в таблице.

Сила трения — ЗФТШ, МФТИ

Сила трения – сила механического сопротивления, возникающая в плоскости соприкосновения двух прижатых друг к другу тел при их относительном перемещении.

Сила сопротивления, действующая на тело, направлена противоположено относительному перемещению данного тела.

Сила трения возникает по двум причинам: 1) первая и основная причина заключается в том, что в местах соприкосновения молекулы веществ притягиваются друг к другу, и для преодоления их притяжения требуется совершить работу. Соприкасающиеся поверхности касаются друг друга лишь в очень небольших по площади местах. Их суммарная площадь составляет 0,01÷0,0010,01 \div 0,001 от общей (кажущейся) площади соприкосновения. При скольжении площадь реального соприкосновения не остается неизменной. Сила трения (скольжения) будет изменяться в процессе движения. Если тело, которое скользит, прижать сильнее к телу, по которому происходит скольжение, то вследствие деформации тел площадь пятен соприкосновения (и сила трения) увеличится пропорционально прижимающей силе.

$$F_\text{тр} \sim F_\text{приж}$$

2) вторая причина возникнове ния силы трения – это наличие шероховатостей (неровностей) поверхностей, и деформация их при движении одного тела по поверхности другого. Глубина проникновения (зацепления) шероховатостей зависит от прижимающей силы, а от этого зависит и величина деформаций. Последние, в свою очередь, определяют величину силы трения: Fтр∼FприжF_\mathrm{тр} \sim F_\mathrm{приж}.

При относительном скольжении обе причины имеют место, потому характер взаимодействия имеет вид простого соотношения:

Fтр=μN -\boxed{F_\mathrm{тр} =\mu N}\ -сила трения скольжения (формула Кулона — Амонтона), где

μ -\mu\ — коэффициент трения скольжения,

N -N\ — сила реакции опоры, равная прижимающей силе.

Величина коэффициента трения различна для разных комбинаций трущихся веществ даже при одинаковой их обработке (силы притяжения и упругие свойства зависят от рода вещества).

Если между трущимися поверхностями будет находится смазка, то сила притяжения изменится заметным образом (будут притягиваться другие молекулы, и сила трения скольжения частично заменится силой вязкого трения, которую мы рассмотрим ниже).

Если на тело, лежащее на горизонтальной поверхности, действует горизонтальная сила F→\vec F, то движение будет вызвано этой силой только в том случае, когда она станет больше некоторого значения (μN)(\mu N). До начала движения внешняя сила скомпенсирована силой трения покоя.












Рис. 13

Сила трения покоя всегда равна внешней силе, параллельной поверхности, и возникает по причине притяжения между молекулами в областях пятен соприкосновения и деформации шероховатостей.

Сила трения покоя различна в разных участках поверхности по которой будет происходить движение. Если тело долго лежит на поверхности, то вследствие вибраций (они всегда присутствуют на поверхности Земли) площадь пятен соприкосновения незначительно увеличится. Поэтому для начала движения придётся преодолеть немного большую силу трения, чем сила трения скольжения. Данное явление называется явлением застоя. С этим явлением мы сталкиваемся, например передвигая мебель в комнате. (На рисунке 13 превосходство трения покоя над трением скольжения сильно преувеличено).

Силой трения покоя мы пользуемся для перемещения на лыжах или просто при ходьбе.

Рассмотренные виды силы трения относятся к сухому трению или внешнему. Но есть еще один вид силы трения – вязкое трение.

При движении тела в жидкости или газе происходят достаточно сложные процессы обмена молекулами между слоями обтекающей жидкости или газа. Эти процессы называют процессами переноса.

При небольших скоростях движения тела относительно газа или жидкости сила сопротивления будет определяться выражением:

Fтр=6πηrv -\boxed{F_\mathrm{тр} = 6\pi \eta r v}\ — закон Стокса для шара, где

η -\eta\ — вязкость вещества, в котором движется тело;

r -r\ — средний поперечный размер (радиус) тела;

v -v\ — относительная скорость тела;

6π -6\pi\ — коэффициент, соответствующей сферической форме тела.2.\]

Число Рейнольдса, выбранное равным 17001700, в действительности определяется конкретной задачей (условиями) и может принимать другие значения того же порядка. Объясняется это тем, что зависимость силы вязкого трения от скорости носит сложный характер: при некотором значении скорости линейная зависимость начинает нарушаться, а при некотором значении скорости эта зависимость становится квадратичной. 

Рис. 14

В промежутке от v1v_1 до v2v_2 степень принимает дробные значения (рис. 14) . Число Рейнольдса характеризует состояние динамической системы, при котором движение слоёв остаётся ламинарным, и сильно зависит от внешних условий. К примеру: стальной шар, двигаясь в воде вдали от границ жидкости (в океане, озере) сохраняет ламинарным движение слоёв при Re=1700Re = 1700, а тот же шар, движущийся в вертикальной трубе немного большего, чем шар, радиуса, заполненной водой, уже при Re=2Re=2 вызовет появление завихрений воды вокруг шара. (Отметим, что число Рейнольдса не единственное, применяемое для описания подобного движения. Например, применяют ещё числа Фруда и Маха.)

Из-за такой сложной зависимости силы сопротивления от размеров, формы тела и его скорости рассчитать с необходимой точностью силу сопротивления невозможно. Потому приходится создавать макеты летательных аппаратов и измерять силу сопротивления опытным путём, продувая воздух в аэродинамических трубах.

Пример 7. Сила сопротивления воздуха, действующая на капли тумана, пропорциональна произведению скорости на радиус капель: F=krvF = krv. Капли радиуса 0,1 мм0,1\ \text{мм}, падая с большой высоты, у земли имеют скорость около 1 м/с1\ \mathrm{м}/\mathrm{с}. Какую скорость будут иметь капли, радиус которых в два раза меньше? В десять раз меньше?

Решение: Капля падает с постоянной скоростью, т. к. сила тяжести скомпенсирована силой вязкого трения о воздух: krv=mgkrv = mg или krv=ρ43πr3gkrv = \rho \frac 43 \pi r^3 g, откуда v=4ρπg3kr2v = \frac{4\rho\pi g}{3k}r^2.

Из полученного результата следует, что скорость капли прямо пропорциональна квадрату радиуса. Если радиус капли уменьшится в два раза, то скорость её падения уменьшится в четыре раза, и составит v1≈0,25 м/сv_1 \approx 0,25\ \text{м}/\text{с}; а если радиус окажется в десять раз меньше, то скорость будет в сто раз меньше, т. е. v2≈0,01 м/сv_2 \approx 0,01\ \mathrm{м}/\mathrm{с}.

Задача любопытна тем, что может объяснить почему облака не падают. Ведь облака – это туман, который не падает из-за наличия восходящих потоков воздуха. На нижней границе облака находятся наиболее крупные капли. Поднимаясь, скорость потока уменьшается, т. к. он совершает работу над встретившимся воздухом и увеличивает свою потенциальную энергию. Раз скорость потока в верхней части облака меньше, то и размер капель там тоже меньше. Капли «висят» над поверхностью земли на постоянной высоте.

Сила трения

Сила, возникающая на границе соприкосновения тел при отсутствии относительного движения тел, называется силой трения покоя.
Сила трения покоя Fтр равна по модулю внешней силе F, направленной по касательной к поверхности соприкосновения тел, и противоположна ей по направлению:



Прикрепим динамометр к бруску и заставим брусок двигаться равномерно по горизонтальной поверхности стола. Во время равномерного движения бруска динамометр показывает, что на брусок со стороны пружины действует постоянная сила упругости Fупр. При равномерном движении бруска равнодействующая всех сил равна нулю. Следовательно, кроме силы упругости, во время равномерного движения на брусок действует сила, равная по модулю силе упругости, но направленная в противоположную сторону. Эта сила называется силой трения скольжения Fтр.
Вектор силы трения скольжения Fтр всегда направлен противоположно вектору скорости движения тела относительно соприкасающегося с ним тела. Поэтому действие силы трения скольжения всегда приводит к уменьшению модуля относительной скорости тел.
Силы трения возникают благодаря существованию сил взаимодействия между молекулами и атомами соприкасающихся тел. Последние обусловлены взаимодействием электрических зарядов, которыми обладают частицы, входящие в состав атомов. На основании опытов можно сделать вывод, что максимальное значение модуля силы трения покоя прямо пропорционально силе давления.
Взаимодействие тела и опоры вызывает деформацию и тела, и опоры. Силу упругости N, возникающую в результате деформации опоры и действующую на тело, называют силой реакции опоры.



По третьему закону Ньютона сила давления и сила реакции опоры равны по модулю и противоположны по направлению. Поэтому предыдущий вывод можно сформулировать так: модуль максимальной силы трения покоя пропорционален силе реакции опоры:

Fтрmax = μ · N

Греческой буквой μ (мю) обозначен коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения.
Модуль силы трения скольжения Fтр, как и модуль максимальной силы трения покоя, пропорционален модулю силы реакции опоры:

Fтр = μ · N

Максимальное значение силы трения покоя примерно равно силе трения скольжения, приближенно равны также коэффициенты трения покоя и скольжения.
Силы трения возникают так же и при качении тела. При одинаковой нагрузке сила трения качения значительно меньше силы трения скольжения. Поэтому для уменьшения сил трения в технике применяются колеса, шариковые и роликовые подшипники.

Другие заметки по физике

9.2: Трение и тяга

Одна из наиболее важных основ, которую ученики должны изучить перед тем, как приступить к проектированию ходовой части, это трение.

ТРЕНИЕ — это сила, сопротивляющаяся движению, когда две поверхности притираются друг к другу. Это исключительно противодействующая сила, возникающая, когда две поверхности находятся в контакте друг с другом и под действием силы, заставляющей их скользить друг относительно друга. Если на объект не воздействует сила, провоцирующая его к попытке движения, трение также отсутствует. Отсутствие воздействующей силы означает отсутствие противодействующей силы.

Существуют два типа трения: статическое трение и кинетическое трение.

Статическое трение представляет собой силу трения, действующую между двумя объектами, которые НЕ перемещаются друг относительно друга. Для того, чтобы сдвинуть что-либо, требуется предварительное усилие. Если значение силы, пытающейся сдвинуть объект, меньшее значения силы статического трения, объект не сможет сдвинуться с места.

Кинетическое трение — это сила трения, действующая между двумя поверхностями, перемещающимися (скользящими) друг относительно друга.

Как только объект преодолел статическое трение и начал движение, он попадает под воздействие кинетического трения, сопротивляющегося движению.

На графике выше показана обратная взаимосвязь между приложенной силой и трением. С увеличением приложенной силы, противодействующая сила трения также увеличивается. Вплоть до момента, когда объект сдвинется с места, на него действует статическое трение. Как только значение приложенной силы превысит максимальное статическое трение, масса начнет двигаться. Сразу после начала движения объект окажется под действием кинетического трения. Статическое трение больше кинетического трения, поэтому если масса уже сдвинулась, для дальнейшего скольжения ей потребуется меньше силы.

Оба типа трения можно имитировать, уперев ладонь одной руки в ладонь другой руки и попробовав подвигать ими скользящим движением. Этому движению будет противодействовать текстура кожи и величина приложенной силы. Чем плотнее ладони прижаты друг к другу, тем сложнее ими двигать. Это статическое трение.

По мере увеличения скользящей силы, руки начинают скользить и двигаться друг относительно друга. Это кинетическое трение. Можно заметить, что как только руки преодолели статическое трение, двигать ими стало проще.

Существует два фактора, определяющих максимальную силу трения, возникающую между двумя поверхностями: «цепкость» поверхностей (известная как коэффициент трения поверхностей), а также плотность прижатия поверхностей друг к другу (известная как нормальная сила).

Максимальная сила трения (Ff) между двумя поверхностями равна коэффициенту трения (Cf) этих поверхностей, умноженному на нормальную силу (N), удерживающую поверхности вместе.

Максимальная сила трения = (Коэффициент трения) х (Нормальная сила)

Ff = Cf x N

КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ:

Как уже говорилось выше, коэффициент трения является постоянной величиной, отражающей «цепкость» двух поверхностей, скользящих друг относительно друга. Необходимо обратить внимание на то, что это трение не одной скользящей поверхности, а двух. Например, покрышка сама по себе НЕ ОБЛАДАЕТ коэффициентом трения, но покрышка, скользящая по мостовой, ОБЛАДАЕТ коэффициентом трения.

Коэффициент трения скользких объектов чрезмерно мал, тогда как коэффициент трения липких объектов — очень велик. Эта постоянная величина определяется для пары поверхностей (не для единственной поверхности). Каждая пара материалов обладает коэффициентами статического и кинетического трения.

При этом нельзя путать чистое трение с действительно липкими поверхностями, такими как, например, изолента или покрытия с большим коэффициентом трения, связывающиеся с другими поверхностями. Подобные поверхности, соединяясь, должны выглядеть как одна. Например, изолента сопротивляется скольжению даже в том случае, когда нормальная сила отсутствует или имеет отрицательное значение.

НОРМАЛЬНАЯ СИЛА:

Сила, прижимающая две скользящие поверхности друг к другу, называется нормальной силой. Действие нормальной силы всегда направлено перпендикулярно двум поверхностям (в противном случае эта сила может действовать как нормальная сила лишь частично). Зачастую нормальная сила, воздействующая на две поверхности, является массой одного объекта, располагающегося сверху на другом объекте. В этом случае действие нормальной силы спровоцировано гравитацией.

Как показано на схеме выше, если объект лежит на наклонной поверхности, гравитация действует на две скользящие поверхности не под прямым углом. В этом случае, только часть массы объекта действует как нормальная сила.

ТЯГА:

ТЯГА может быть определена как трение между ведущим колесом и поверхностью, по которой оно катится. Это количество силы, которое колесо прикладывает к поверхности перед тем, как соскользнуть. Колесо обладает разной тягой на различных поверхностях. Как описывалось выше, значение коэффициента трения определяется для любых двух поверхностей.

Из Блока 7 и схемы, представленной выше, видно, что колесо прикладывает силу к поверхности под действием крутящего момента. Тем не менее, если бы колесо катилось по льду, оно просто проскальзывало бы, не двигаясь с места. Трение, возникающее между колесом и поверхностью земли, необходимо для создания линейного движения. Это тяговое усилие, или сила тяги.

Необходимо обратить внимание на то, что сила тяги равна силе трения между колесом и поверхностью. Если колесо катится по поверхности, а не скользит, сила тяги равна статическому трению. Если приложенная сила превышает максимальное статическое трение, колесо начинает скользить, и теперь сила тяги равна максимальному кинетическому трению.

Увеличение тяги:

Так как тяга зависит от трения между поверхностью и колесом, чтобы увеличить ее значение, необходимо увеличить трение. Как говорилось выше, трение между объектами зависит от коэффициента трения между ними (в данном случае, между колесом и поверхностью, по которой оно катится) и нормальной силы (массы робота, прижимающей колеса к поверхности). Чтобы увеличить тягу, увеличить либо коэффициент трения (сцепление колес), либо нормальную силу, действующую на колеса (массу робота).
 

Сборка толкающего робота:

Чтобы собрать робота, способного толкать или тянуть с большой силой, необходимо включить в конструкцию два элемента: колеса повышенной проходимости и значительный крутящий момент для приведения их в движение. Трение — это противодействующая сила. Если нет приложенной силы, сила трения также отсутствует. Чтобы увеличить тягу, к колесам необходимо приложить крутящий момент, достаточный для достижения максимального статического трения колес.

Автомобиль может обладать огромной тягой, но при малых размерах двигателя он не сможет толкать или тянуть что либо. Поэтому маленькие автомобили не могут тянуть за собой трейлеры или катера на прицепах.

Трение в системе VEX:

В системе проектирования VEX Robotics Design System используется множество элементов, которые могут применяться для получения трения, включая различные типы колес. Каждый из них обладает характеристиками, необходимыми для использования на различных поверхностях. Для проектировщика очень важно экспериментальным путем определить тип колес, требуемый для каждой отдельной задачи.

Трение между колесами и поверхностью пола — не единственный вид трения, применяемый в конструкции робота VEX. Существует также трение, притормаживающее вращающиеся компоненты робота и уменьшающее количество мощности на выходе электромотора. В системе проектирования VEX Robotics Design System есть ряд частей, предназначенных для уменьшения трения. Использовать соединения типа «металл к металлу» в подвижных системах не рекомендуется. Пластиковые части, например, опорные блоки, прокладки и шайбы, позволяют снизить значение трения в точках контакта подвижных частей.

Трение скольжения: определение, коэффициент, формула (с примерами)

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Автор GAYLE TOWELL

Трение скольжения, более часто называемое кинетическим трением, представляет собой силу, противодействующую скольжению двух поверхностей проезжая мимо друг друга. Напротив, статическое трение — это тип силы трения между двумя поверхностями, которые толкают друг друга, но не скользят друг относительно друга. (Представьте, что вы толкаете стул, прежде чем он начнет скользить по полу.Силе, которое вы прикладываете перед началом скольжения, противостоит статическое трение.)

Трение скольжения обычно имеет меньшее сопротивление, чем статическое трение, поэтому вам часто приходится толкать сильнее, чтобы объект начал скользить, чем чтобы удерживать его. Величина силы трения прямо пропорциональна величине нормальной силы. Напомним, что нормальная сила — это сила, перпендикулярная поверхности, которая противодействует любым другим силам, приложенным в этом направлении.

Константа пропорциональности — это безразмерная величина, называемая коэффициентом трения, и она изменяется в зависимости от поверхностей, находящихся в контакте. (Значения этого коэффициента обычно ищутся в таблицах.) Коэффициент трения обычно обозначается греческой буквой μ с нижним индексом k , обозначающим кинетическое трение. Формула силы трения имеет следующий вид:

F_f = \ mu_kF_N

Где F N — величина нормальной силы, единицы измерения выражены в ньютонах (Н), а направление этой силы противоположно направление движения.

Определение трения качения

Сопротивление качению иногда называют трением качения, хотя это не совсем сила трения, потому что это не результат двух соприкасающихся поверхностей, пытающихся прижаться друг к другу. Это сила сопротивления, возникающая в результате потери энергии из-за деформации катящегося объекта и поверхности.

Однако, как и в случае сил трения, величина силы сопротивления качению прямо пропорциональна величине нормальной силы с постоянной пропорциональностью, которая зависит от поверхностей, находящихся в контакте.В то время как μ r иногда используется в качестве коэффициента, чаще встречается C rr , в результате чего уравнение для величины сопротивления качению выглядит следующим образом:

F_r = C_ {rr} F_N

Эта сила действует против направления движения.

Примеры сопротивления скольжению и качению

Давайте рассмотрим пример трения с динамической тележкой, установленной в типичном классе физики, и сравним ускорение, с которым она движется по металлической дорожке, наклоненной под углом 20 градусов, для трех различных сценариев:

Сценарий 1: На тележку не действуют силы трения или сопротивления, поскольку она свободно катится без скольжения по гусенице.

Сначала мы рисуем диаграмму свободного тела. Единственные действующие силы — сила тяжести, направленная прямо вниз, и нормальная сила, направленная перпендикулярно поверхности.

Уравнения чистой силы:

F_ {netx} = F_g \ sin {\ theta} = ma \\ F_ {nety} = F_N-F_g \ cos (\ theta) = 0

Сразу мы можем решить первое уравнение для ускорения и подставьте значения, чтобы получить ответ:

F_g \ sin {\ theta} = ma \\ \ подразумевает mg \ sin (\ theta) = ma \\ \, подразумевает a = g \ sin (\ theta) = 9.2}

Сценарий 2: Сопротивление качению действует на тележку, поскольку она свободно катится без соскальзывания по гусенице.

Здесь мы примем коэффициент сопротивления качению 0,0065, который основан на примере из статьи Военно-морской академии США.

Теперь наша диаграмма свободного тела включает сопротивление качению, действующее по гусенице. Наши уравнения чистой силы принимают следующий вид:

F_ {netx} = F_g \ sin {\ theta} -F_r = ma \\ F_ {nety} = F_N-F_g \ cos (\ theta) = 0

Из второго уравнения мы может найти F N , подставить результат в выражение для трения в первом уравнении и решить для a :

F_N-F_g \ cos (\ theta) = 0 \ подразумевает F_N = F_g \ cos (\ theta) \\ F_g \ sin (\ theta) -C_ {rr} F_N = F_g \ sin (\ theta) -C_ {rr} F_g \ cos (\ theta) = ma \\ \ подразумевает \ cancel mg \ sin (\ theta) -C_ {rr} \ cancel mg \ cos (\ theta) = \ cancel ma \\ \ подразумевает a = g (\ sin (\ theta) -C_ {rr} \ cos (\ theta )) = 9.2}

Сценарий 3: Колеса тележки заблокированы, и она скользит по рельсовому пути, чему мешает кинетическое трение.

Здесь мы будем использовать коэффициент кинетического трения 0,2, который находится в середине диапазона значений, обычно указываемых для пластика по металлу.

Наша диаграмма свободного тела очень похожа на случай сопротивления качению, за исключением того, что это сила трения скольжения, действующая вверх по аппарели. Наши уравнения чистой силы принимают следующий вид:

F_ {netx} = F_g \ sin {\ theta} -F_k = ma \\ F_ {nety} = F_N-F_g \ cos (\ theta) = 0

И снова мы решаем для a аналогичным образом:

F_N-F_g \ cos (\ theta) = 0 \ подразумевает F_N = F_g \ cos (\ theta) \\ F_g \ sin (\ theta) — \ mu_kF_N = F_g \ sin ( \ theta) — \ mu_kF_g \ cos (\ theta) = ma \\ \ подразумевает \ cancel mg \ sin (\ theta) — \ mu_k \ cancel mg \ cos (\ theta) = \ cancel ma \\ \ подразумевает a = g (\ sin (\ theta) — \ mu_k \ cos (\ theta)) = 9.2}

Обратите внимание, что ускорение с сопротивлением качению очень близко к случаю отсутствия трения, тогда как случай трения скольжения значительно отличается. Вот почему сопротивлением качению в большинстве ситуаций пренебрегают и почему колесо было гениальным изобретением!

Трение скольжения: определение, формула и примеры — видео и стенограмма урока

Формула трения скольжения

Уравнение трения скольжения по плоской поверхности довольно простое — это коэффициент трения скольжения, умноженный на нормальную силу.

Формула трения скольжения

Нормальная сила сбивает Ганса с толку до тех пор, пока он не осознает, что «нормаль» — это научный термин, означающий перпендикулярно поверхности или под прямым углом. В большинстве книг уравнение приводится в наклонной плоскости. Однако Ганс игнорирует это, поскольку все битвы происходят на плоской поверхности.

Увеличение трения скольжения

Ганс размышляет обо всех фактах, которые он узнал о трении скольжения, и о том, что они значат для его сражений с роботами.Поскольку есть только пара способов увеличить трение скольжения, есть только пара способов, которыми Ганс может улучшить своего робота: утяжелив его или изменив материалы.

Добавление дополнительных колес к его роботу для увеличения тяги, о чем он думал, не поможет. Он также не может увеличить вес своего робота, хотя это приведет к увеличению трения скольжения. Добавление большего веса также переместит его в следующую весовую категорию, чего Ханс не хочет делать прямо сейчас.

Единственное, что он может сделать, это изменить тип шин, которые он использует. Он проведет небольшое исследование и посмотрит, есть ли шины с лучшим коэффициентом трения скольжения, чем те, которые у него сейчас.

Примеры задач

Робот, которого Ганс использует в битвах, весит 25 кг, а коэффициент трения скольжения между его текущими шинами и бетоном, на котором он сражается, составляет 0,6. Какая сила требуется, чтобы его робот двигался, если он уже скользил из-за маневра со стороны Хана? Используйте ускорение свободного падения как g = 9.8 м / с / с, чтобы понять это.

(9,8) (25) (0,6) = 147 ньютонов

На какой процент увеличится эта сила, если он сможет найти шину с коэффициентом трения скольжения 0,8 в том же сценарии? Чтобы узнать, сначала вычислите новую силу:

(9,8) (25) (0,8) = 196 Ньютонов.

Затем получите увеличение в%:

(196 — 147) / 147 = 33%

С этой новой информацией Ганс решает, что использовать шины с коэффициентом трения скольжения 0.8 поможет его роботу не так легко толкать его, и, возможно, даже поможет его роботу выиграть больше битв, будучи тем, кто толкает других роботов.

Краткое содержание урока

Трение скольжения , кинетическое трение или трение движения — это сила, необходимая для поддержания движения двух поверхностей относительно друг друга. Величина этой силы зависит только от двух факторов для немикроскопических ситуаций: коэффициента трения скольжения между двумя материалами и нормальной силы.Нормальная сила — это сила, перпендикулярная рассматриваемым поверхностям.

Трение скольжения — Что такое трение скольжения

Мы можем понимать трение скольжения как силу сопротивления, создаваемую между любыми двумя телами при скольжении друг относительно друга. Это трение также называется кинетическим трением и определяется как сила, необходимая для того, чтобы поверхность скользила по другой поверхности. Он зависит от двух переменных: одна — это материал или вещь, а другая — вес и размер объекта.Любое изменение площади поверхности и контакта не влияет на трение скольжения. В большинстве материалов трение скольжения намного меньше трения покоя.

Скольжение может происходить между двумя объектами произвольной формы, тогда как трение качения — это сила трения, связанная с вращательным движением несколько дискообразного или любого другого круглого объекта по поверхности. Обычно сила трения качения намного меньше, чем сила, связанная с кинетическим трением скольжения. Обычные значения коэффициента трения качения меньше, чем трения скольжения.Точно так же трение скольжения обычно производит больше звуковых и тепловых побочных продуктов. Одним из примеров является торможение автомобильных покрышек на проезжей части, процесс, который генерирует значительное количество тепла и шума и учитывается при измерении уровня шумового загрязнения проезжей части. Возьмем простой пример: когда мы останавливаем машину у знака «Стоп», она замедляется из-за трения между тормозами и колесами. Таким образом, сила, которая действует в противоположном направлении, в котором тело хочет скользить, называется трением скольжения. Некоторые ключевые категории трения — это качение, скольжение, статическое трение, трение жидкости.Здесь мы обсудим трение скольжения или кинетическое трение, его коэффициент, через который оно измеряется, и его примеры. Определение трения скольжения Сила трения, которая сопротивляется реальному относительному движению скольжения между двумя контактными поверхностями, известна как трение скольжения или кинетическое трение. Начнем с изучения сил трения с простого понимания. Предположим, что на столе стоит металлический блок, слабая сила может не привести металлический блок в движение. По мере того, как вы продолжаете постепенно увеличивать силу, с определенной силой, металлический блок начинает двигаться.Управляющее значение силы, при которой металлический блок начинает движение, такое же, как сила сопротивления, предлагаемая металлическим блоком в статической форме. Следовательно, эта сила сопротивления называется статическим трением. Продолжая эксперимент, увеличивая силу дальше, он заставляет металлический блок двигаться. Но даже после того, как металлический блок начал двигаться, он все еще оказывает сопротивление, пытаясь противодействовать движению. Это определяется как «трение скольжения». Из того, что мы до сих пор называли, ясно, что трение скольжения меньше, чем трение покоя.Сила трения скольжения прямо пропорциональна весу, действующему в направлении, нормальном к поверхности. В частном случае, если поверхность, по которой скользит тело, горизонтальна, нормальная сила соответствует весу объекта.
Уравнение для силы скольжения содержит коэффициент трения скольжения, умноженный на нормальную силу.
F S = μ S F n

F_ {s} = \ mu_ {s} F_ {n}

Где,
F S F_ {s} = сила трения скольжения
μ S \ mu_ {s} = коэффициент трения скольжения
F n F_ {n} = нормальная сила
Движение при трении скольжения.
Движение при трении скольжения может быть показано (в простых системах движения) вторым законом Ньютона
∑ F = ma \ sum F = ma
F E — F K = ma F_ {E} -F_ {K } = ma
Где F E — внешняя сила.
· Ускорение происходит, когда внешняя сила превышает силу кинетического трения.
· Замедление (или остановка) происходит, когда сила кинетического трения больше, чем внешняя сила.
· Этому также следует первый закон движения Ньютона, поскольку на объект действует результирующая сила.

  • • Постоянная скорость возникает, когда на объект нет действующей силы, то есть внешняя сила равна силе кинетического трения
  • Движение по n наклонное плоскость

    A Блок можно использовать для понимания трения, когда он скользит вверх или вниз по наклонной плоскости. {\ theta} Нормальная сила (перпендикулярно поверхности) показано значком.{\ theta}

    Понимание трения скольжения

    Трение скольжения, создаваемое или создаваемое объектами, называется коэффициентом, учитывающим несколько факторов, которые могут повлиять на уровень трения. Эти несколько факторов, которые могут повлиять на трение скольжения, включают следующее:


  • • Деформация поверхности объектов.

  • • Шероховатость или гладкость поверхности.

  • • Исходная скорость любого объекта.

  • • Размер и форма объекта.

  • • Величина давления на любой объект.

  • • Сила сцепления поверхности.

  • Характеристики трения скольжения

    Мы уже объясняли ранее, что в целом трение скольжения всегда меньше, чем трение покоя для одного и того же набора движения тела и поверхности. Это также приводит к другому выводу, что сила трения всегда зависит от природы материала объекта и поверхности.Как также объяснялось ранее, сила скольжения пропорциональна нормальной силе, что означает нагрузку на объект. В ходе экспериментов, как мы выяснили в предыдущем разделе, величина трения скольжения будет одинаковой, даже если вы измените сторону блока, лежащего на столе. Следовательно, при одинаковой массе трение скольжения не касается области контакта. Трение скольжения также не зависит от скорости движения.

    Коэффициент трения скольжения Мы дали общее определение, что сила трения F, наблюдаемая объектом, прямо пропорциональна нормальной силе N, создаваемой им.То есть
    F = μNF = μN F = \ mu NF = \ mu N

    Где μ — постоянная величина, она называется коэффициентом трения. Очевидно, что это соотношение двух сил, и поэтому оно не имеет размеров. Если трение является статическим, то коэффициент трения называется «коэффициент трения покоя» и обозначается μ s , а для трения скольжения та же постоянная известна как «коэффициент трения скольжения» и обозначается μ k. . Нижний индекс «k» означает «кинетический». Тогда трение скольжения всегда меньше трения покоя, и поэтому μ k s . Примеры трения скольжения Не существует различных примеров трения скольжения, поскольку степень трения скольжения велика. Трение скольжения между двумя поверхностями производит тепло из-за молекулярных взаимодействий. Количество выделяемого тепла зависит от материалов поверхностей и иногда может перерасти в пожар. Зажигание спичечной палочки — выдающийся пример из современной жизни. Мужчины каменного века использовали два камня для зажигания. Из-за высокой силы трения при трении скольжения предпочтительнее положить объект на колесо и транспортировать, а не толкать его, поскольку результат трения качения намного меньше, чем трение скольжения.Значения коэффициента трения качения довольно малы по сравнению с коэффициентом трения скольжения.

    Представьте себе автомобиль, припаркованный на наклонной плоскости с меньшим уклоном. При отсутствии трения скольжения колеса автомобиля начнут вращаться и начнут движение. По этой причине на крутых спусках при парковке используются ручные тормоза, а в худшем случае за шинами кладут тяжелые камни. Трение скольжения из-за значительного уровня в некотором смысле помогает в реальной жизни.

    Несколько примеров, например, для трения скольжения

  • • Толкание тяжелого и более крупного предмета, например лома

  • • Придание груза ребрам на пандусах

  • • Можно привести движение монет в карусельной доске
  • Скользящее трение, Рон Куртус

    SfC Home> Физика> Сила> Трение>

    от Рона Куртуса

    Наиболее распространенный вид трения — трение скольжения .Это сопротивление движению, когда вы пытаетесь переместить или сдвинуть твердый объект по поверхности другого твердого объекта .

    Когда внешняя сила, толкающая объект, недостаточно велика, чтобы вызвать движение, сопротивление называется трением статического скольжения . Когда объекты находятся в движении относительно друг друга, сопротивление называется кинетическим или динамическим трением скольжения .

    Между статическим трением скольжения и динамическим трением скольжения является переходная фаза трения скольжения .

    Интересно, что статический коэффициент трения скольжения больше, чем кинетический коэффициент, и, таким образом, требуется больше силы, чтобы начать движение объекта, чем необходимо, чтобы поддерживать его в движении.

    Вопросы, которые могут у вас возникнуть:

    • Что такое уравнение трения скольжения?
    • Что такое статическое трение скольжения?
    • Что происходит в переходной фазе трения скольжения
    • Какое кинетическое трение скольжения?

    Этот урок ответит на эти вопросы.Полезный инструмент: Конвертация единиц



    Уравнение трения скольжения

    Уравнение трения скольжения (в отличие от трения качения или трения жидкости):

    F f = мкН

    где:

    • F f — сила сопротивления трения
    • μ — коэффициент трения для двух поверхностей (греческая буква «мю»)
    • Н — нормальная или перпендикулярная сила, толкающая два объекта вместе
    • мкН составляет мк раз N

    F f и N измеряются в единицах силы, которые являются фунтами или ньютонами.

    Для скольжения объекта по поверхности требуется внешняя сила, превышающая силу трения.

    Статическое трение скольжения

    Когда внешняя сила, толкающая объект, недостаточно велика, чтобы заставить его скользить, сопротивление называется статическим трением скольжения . Другими словами, объект не будет двигаться, когда:

    F e SS

    где

    • F e — внешняя сила, параллельная скользящей поверхности
    • < означает «меньше»
    • F SS — сила сопротивления статического трения скольжения

    Статическое уравнение трения скольжения

    Уравнение статического трения скольжения:

    F н.с. = μ н.с. N

    где:

    • F ss — сила сопротивления трения скольжения
    • μ ss — коэффициент трения скольжения для двух поверхностей (греческая буква «мю»)
    • Н — нормальная или перпендикулярная сила, толкающая два объекта вместе

    Переходная фаза

    Когда внешняя сила равна статическому сопротивлению трению скольжения ( F e = F ss ), объект может вырваться и начать движение.Статическое трение становится кинетическим или динамическим трением скольжения, которое, что удивительно, имеет более низкий коэффициент трения.

    Переход от статического к кинетическому происходит быстро, но не мгновенно.

    Поскольку кинетическое трение скольжения меньше трения покоя, внешняя сила больше кинетического трения.

    Кинетическое трение скольжения

    Когда объект скользит по поверхности, сопротивление называется кинетическим или динамическим трением скольжения .

    Кинетическое уравнение трения скольжения

    Уравнение кинетического трения скольжения:

    F кс = μ кс N

    где:

    • F ks — кинетическая скользящая сила сопротивления трения
    • μ ks — кинетический коэффициент трения скольжения для двух поверхностей (греческая буква «мю»)

    Коэффициенты трения разные

    Кинетический коэффициент трения скольжения меньше трения, когда объект неподвижен или статичен.

    мкм кс сс

    Это означает, что легче сдвинуть движущийся объект, чем заставить его начать движение.

    Взаимосвязь с внешней силой на скользящий объект

    Если на объект действует внешняя сила, он может ускоряться, оставаться с постоянной скоростью или замедляться в зависимости от силы внешней силы.

    (Дополнительные сведения см. В разделах «Внешняя сила» и «Кинетическое трение скольжения».)

    Разгон

    Когда внешняя сила больше кинетического трения скольжения, объект будет ускоряться. Это тот случай, когда неподвижный объект переходит из статического режима в кинетический скользящий.

    Постоянная скорость

    Если внешняя сила равна кинетическому трению скольжения, объект будет продолжать скользить с постоянной скоростью.

    Замедление и остановка

    Если внешняя сила меньше кинетического трения скольжения или уменьшена до нуля, объект замедлится и в конечном итоге перестанет двигаться.

    Сводка

    Скольжение предмета по поверхности другого предмета приводит к трению скольжения. Когда сопротивление скольжению превышает силу, толкающую объект, это называется статическим трением. Когда внешняя сила равна статическому трению скольжения, объект начинает движение и переходит из статического режима в кинетический. Когда объект скользит, сопротивление называется кинетическим трением.

    Внешняя сила, действующая на объект, может вызвать его ускорение, сохранение постоянной скорости или замедление в зависимости от силы внешней силы.


    Помогите улучшить жизнь других


    Ресурсы и ссылки

    Полномочия Рона Куртуса

    Сайты

    Friction Resources — обширный список

    Концепции трения — HyperPhysics

    Книги

    (Примечание: Школа чемпионов может получать комиссионные от покупки книг)

    Книги с самым высоким рейтингом по науке о трении

    Книги с наивысшими оценками по экспериментам с трением


    Вопросы и комментарии

    Есть ли у вас какие-либо вопросы, комментарии или мнения по этой теме? Если да, отправьте письмо с вашими отзывами.Я постараюсь вернуться к вам как можно скорее.


    Поделиться страницей

    Нажмите кнопку, чтобы добавить эту страницу в закладки или поделиться ею через Twitter, Facebook, электронную почту или другие службы:


    Студенты и исследователи

    Веб-адрес этой страницы:
    www.school-for-champions.com/science/
    friction_sliding.htm
    .

    Пожалуйста, включите его в качестве ссылки на свой веб-сайт или в качестве ссылки в своем отчете, документе или диссертации.

    Авторские права © Ограничения


    Где ты сейчас?

    Школа чемпионов

    Фрикционные элементы

    Трение скольжения

    Скользящее трение — обзор

    10.7 Описание SFM

    Биомиметическая мышца SFM эволюционировала за счет имитации биологической ткани скелетных мышц путем создания силы посредством зажима пары фрикционных накладок на однонаправленной непрерывно движущейся поверхности, такой как тормозной диск (рисунок 10.22). Этот тормозной диск можно увидеть на изображении SFM (рис. 10.23), который является апробированным устройством. Обратите внимание, что фрикционные колодки зажимаются с противоположных сторон вращающейся поверхности и в противоположных направлениях парой интегрированных сервоприводов Futaba.

    Рисунок 10.22. Принцип генерации сократительной силы мышц от зажатых фрикционных подушек, имитирующих миозиновые головки, взаимодействующие с тонкими нитями актина.

    Рисунок 10.23. Скользящий фрикционный механизм испытательного аппарата.

    Сила создается за счет силы трения скольжения между непрерывно вращающейся поверхностью и фрикционными накладками. Можно считать, что миллионы, а может быть и миллиарды мелких выпуклых областей трения скольжения, которые находятся в скользящем контакте с бегущей поверхностью и фрикционными подушками, имитируют миллионы, а может быть и миллиарды движущихся головок с миозиновыми нитями скольжения, которые существуют в скелетных мышцах. И области трения мельчайших размеров, и миозиновые головки мельчайших размеров производят случайные импульсы силы в нано-ньютон-секунду, которые при суммировании создают плавную, малошумную и высокоэффективную силу за каждую секунду их работы.

    Фрикционные колодки, такие как автомобильные или велосипедные дисковые тормозные колодки, выбираются потому, что они (i) способны оказывать очень большое тормозное усилие, (ii) малы и легки, (iii) имеют низкую стоимость и (iv) способны выдерживать большие нагрузки. долгая жизнь, разрабатываемая для этого приложения. Предположим, что постоянный коэффициент трения между вращающейся поверхностью и фрикционными накладками, не зависящий от скорости скольжения, равен коэффициенту кинетического трения. Мы используем коэффициент кинетического трения, настраивая однонаправленную беговую поверхность так, чтобы она всегда работала быстрее, чем скорость колодки.Потери тепловой энергии сводятся к минимуму за счет поддержания минимально возможной скорости скольжения. Вращающаяся поверхность движется только в одном направлении, т. Е. Однонаправленная; он не меняет направления. Однако он может изменять свою надводную скорость. Сила, которая представляет собой сократительную силу мускула, извлекается из легких фрикционных подушек, которые могут свободно вращаться независимо вокруг оси вращающегося диска, обеспечивая, таким образом, силу, не зависящую от положения, скорости и ускорения фрикционных подушек.Непрерывно вращающаяся поверхность обеспечивает источник силы. Сила от фрикционных накладок плавно регулируется от нуля до максимальной силы, доступной от постоянно вращающейся поверхности. Сила варьируется за счет изменения силы зажима колодки. Поскольку вращающаяся поверхность является однонаправленной, сила фрикционной накладки также будет однонаправленной и, таким образом, будет имитировать скелетные мышцы. Сила зажима может быть уменьшена до нуля таким образом, чтобы не было контакта между фрикционными подушечками и вращающейся поверхностью, имитируя полное втягивание миозиновых головок (Рисунок 10.5).

    Скорость непрерывно вращающейся поверхности должна быть больше или немного больше максимальной скорости фрикционных накладок, которые соединены с телескопическим ползуном. Таким образом, между фрикционными накладками и вращающейся поверхностью всегда будет происходить проскальзывание. Если проскальзывание происходит всегда, то сила трения, обеспечиваемая фрикционными накладками, зависит от постоянного коэффициента трения, который является коэффициентом кинетического трения. Следовательно, сила сжимающего трения подушечки будет прямо пропорциональна сжимающей силе.Таким образом, сократительная сила трения накладки, которая представляет сократительную силу мышцы, может точно контролироваться путем точного управления силой зажима фрикционной накладки. Проскальзывание, возникающее между фрикционными накладками и вращающейся поверхностью, означает потерю энергии, которая проявляется в виде рассеивания тепла между фрикционными накладками и вращающейся поверхностью. Должна использоваться система управления, чтобы ограничить количество скольжения до минимума, чтобы минимизировать потери энергии. Биологические мышцы также имеют эту скользящую потерю энергии, которая проявляется в том, что мышцы нагреваются, даже если конечность не движется, но поддерживает вес; это хорошо известно любому, кто занимается йогой или пилатесом.Эта потеря энергии кажется естественным законом неизбежной платы за получение свойства сверхнизкого выходного импеданса, которое создается пассивно.

    SFM решает проблему, связанную с потерями энергии, вызванными изменением направления вращения электродвигателя / редуктора, вместе с решением проблемы достижения малой колеблющейся массы. Во-первых, электродвигатель / коробка передач продолжает вращаться только в одном направлении, а во-вторых, высокая инерция двигателя / коробки передач не видна движущейся конечности или движущимся частям мышцы.Фактически, относительно высокая кинетическая энергия двигателя / коробки передач является преимуществом, поскольку она снижает колебания скорости вращающейся поверхности, поскольку фрикционные накладки извлекают из нее периодические импульсы. Подвижная масса, которая соединяется с конечностью, мала, потому что она равна массе зажимной системы фрикционных накладок, которая может иметь низкое значение.

    Следует также отметить, что SFM способен поглощать ударные нагрузки без повреждения двигателя. Это происходит из-за того, что максимальная сила зажима, прилагаемая к фрикционным накладкам, целенаправленно ограничивается, так что максимальная сила сжатия остается меньше силы, которая может повредить зубья редуктора двигателя или вращающуюся поверхность.

    SFM, хотя и не страдает от необходимости реверсирования двигателя / коробки передач, но имеет недостаток, заключающийся в том, что для приведения в действие одной конечности требуется пара искусственных мышц. Фактически, здесь заложен дуализм: либо две отдельные однонаправленные мышцы, приводящие в действие одну конечность, либо одна двунаправленная мышца, приводящая в действие одну конечность. Недостатком необходимости двух однонаправленных искусственных мышц является то, что вес и стоимость будут выше, чем одна двунаправленная мышца.Этот недостаток необходимо преодолеть с помощью будущих исследований и разработок.

    Что касается стоимости, SFM будет стимулировать развитие производственного процесса, который должен сделать пару однонаправленных приводов, которые не дороже, чем один двунаправленный привод. В любом случае, если устройство решает сложную задачу, то стоимость не имеет непосредственного значения. Также следует уточнить, что однонаправленные мышцы SFM работают взаимозависимо, что означает, что обе мышцы могут быть активированы одновременно, так что одна взаимно подавляет силу другой.Важно отметить высокую скорость реакции SFM. Высокая скорость однонаправленного и двунаправленного силового отклика этого устройства вместе с большой полосой пропускания амплитуды являются двумя его ключевыми преимуществами. Причина заключается в легкости бегунов сухожилий и скорости срабатывания сервоприводов с фрикционными накладками Futaba BLS172hv. Кроме того, когда пара мышц используется для того, чтобы вызвать колебание и / или разворот конечности робота, это устройство может превзойти современное устройство.

    трение | Определение, типы и формула

    Трение , сила, препятствующая скольжению или качению одного твердого объекта по другому. Силы трения, такие как сила тяги, необходимая для ходьбы без скольжения, могут быть полезными, но они также представляют собой значительную меру сопротивления движению. Около 20 процентов мощности двигателя автомобилей расходуется на преодоление сил трения в движущихся частях.

    силы трения

    Диаграмма, показывающая, как силы трения, включая кинетическое трение и трение покоя, действуют на объекты в покое и в движении.

    Британская энциклопедия, Inc.

    Британская викторина

    Викторина «Все о физике»

    Кто был первым ученым, проведшим эксперимент по управляемой цепной ядерной реакции? Какая единица измерения для циклов в секунду? Проверьте свою физическую хватку с помощью этой викторины.

    Основной причиной трения между металлами, по-видимому, являются силы притяжения, известные как адгезия, между контактными областями поверхностей, которые всегда имеют микроскопическую неровность.Трение возникает из-за срезания этих «сварных» стыков и из-за действия неровностей более твердой поверхности, вспахивающей более мягкую поверхность.

    Два простых экспериментальных факта характеризуют трение скользящих твердых тел. Во-первых, величина трения практически не зависит от площади контакта. Если кирпич тянут по столу, сила трения одинакова независимо от того, лежит ли кирпич ровно или стоит дыбом. Во-вторых, трение пропорционально нагрузке или весу, прижимающим поверхности друг к другу.Если тянуть по столу кучу из трех кирпичей, трение в три раза больше, чем если тянуть один кирпич. Таким образом, отношение трения F к нагрузке L постоянно. Это постоянное отношение называется коэффициентом трения и обычно обозначается греческой буквой мю ( μ ). Математически μ = F / L. Поскольку трение и нагрузка измеряются в единицах силы (например, фунтах или ньютонах), коэффициент трения безразмерен.Значение коэффициента трения для случая, когда один или несколько кирпичей скользят по чистому деревянному столу, составляет около 0,5, что означает, что сила, равная половине веса кирпичей, требуется только для преодоления трения и удержания кирпичей в движении. с постоянной скоростью. Сама сила трения направлена ​​противоположно движению объекта. Поскольку до сих пор описанное трение возникает между поверхностями, находящимися в относительном движении, оно называется кинетическим трением.

    Статическое трение, напротив, действует между поверхностями, находящимися в состоянии покоя относительно друг друга.Величина статического трения варьируется от нуля до наименьшей силы, необходимой для начала движения. Эта наименьшая сила, необходимая для начала движения или преодоления статического трения, всегда больше, чем сила, необходимая для продолжения движения или преодоления кинетического трения.

    Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

    Трение качения возникает, когда колесо, шарик или цилиндр свободно катятся по поверхности, как в шариковых и роликовых подшипниках. Основным источником трения при качении, по-видимому, является диссипация энергии, участвующей в деформации объектов.Если твердый шарик катится по ровной поверхности, он несколько сплющен, а ровная поверхность имеет вмятины в областях, соприкасающихся с ним. Упругая деформация или сжатие, возникающие в передней части области контакта, являются препятствием для движения, которое не полностью компенсируется, поскольку вещества возвращаются к нормальной форме в задней части. Внутренние потери в этих двух веществах аналогичны потерям, которые не позволяют мячу отскочить обратно на уровень, с которого он упал.Коэффициенты трения скольжения обычно в 100–1000 раз больше, чем коэффициенты трения качения для соответствующих материалов. Это преимущество исторически было реализовано с переходом от саней к колесам. ( См. Механику .)

    Определение трения скольжения | Примеры — DewWool

    Трение — это противодействующая сила сопротивления, возникающая при контакте двух тел друг с другом. По режиму контактного трения можно выделить два типа: трение качения и трение скольжения.Итак, есть две возможности: объект может катиться или скользить по поверхности. В этой статье мы рассмотрим определение и несколько примеров трения скольжения.

    Определение трения скольжения Катание на лыжах предполагает трение скольжения по снегу и лыжной доске.
    Изображение Pexels с сайта Pixabay

    Сила скольжения может быть определена как сила трения между двумя телами, когда они скользят друг по другу. Здесь следует отметить, что объекты не переворачиваются, а просто скользят по поверхности.Например, когда мы толкаем деревянный ящик по поверхности, он скользит, а не катится. Первый закон Ньютона гласит, что для остановки объекта требуется внешняя сила. Эта внешняя тормозная сила обеспечивается трением скольжения, когда объект скользит по поверхности. Например, если вы толкаете книгу по столу, она скользит, но в конечном итоге останавливается из-за трения скольжения.

    Факторы, влияющие на трение скольжения

    Трение скольжения зависит от множества различных факторов, которые можно суммировать в нормальную силу и коэффициент трения скольжения.

    • Шероховатость: Трение скольжения в основном происходит из-за сцепления неровностей между объектом и поверхностью. Таким образом, чем выше шероховатость поверхностей, тем больше будет величина трения скольжения. Коэффициент трения скольжения дает нам оценку шероховатости.
    • Масса объекта: Трение прямо пропорционально массе скользящего объекта.
    • Давление: Трение прямо пропорционально силе, приложенной в нормальном направлении.В случае наклона вычисляется составляющая силы в нормальном направлении.
    • Другие факторы: Такие факторы, как электромагнитное притяжение / отталкивание, химические связи и т. Д., Играют важную роль в определенных конкретных условиях.

    Формула трения скольжения

    Формула трения скольжения такая же, как и общая формула трения:

    F с = μ с N

    Где F s — сила трения покоя, μ s — коэффициент трения покоя, N — нормальная сила в точке контакта.

    Коэффициент трения скольжения

    Коэффициент трения скольжения обозначается символом μ s . Это очень важный фактор при определении силы трения, действующей на объект. Коэффициент трения скольжения уникален для каждой пары материалов. Например, по песчаным поверхностям трудно ходить по сравнению с твердыми. Подробнее о коэффициенте трения вы можете прочитать в этой статье.

    Направление трения скольжения

    Трение скольжения всегда действует против направления приложенной силы и параллельно плоскости контакта.

    Направление трения скольжения

    На изображении выше мы можем ясно видеть направление трения скольжения, действующее противоположно приложенной силе.

    Трение скольжения по наклонной поверхности

    В случае наклонных поверхностей мы вычисляем составляющую сил в нормальном направлении. Остальное, все остальные факторы остаются прежними.

    Трение скольжения в наклонной плоскости

    Трение скольжения и кинетическое трение

    Трение скольжения и кинетическое трение — это разные понятия, и их нельзя сравнивать напрямую.По состоянию движения трение можно разделить на трение скольжения и кинетическое трение. Итак, основываясь на определении скольжения и кинетического трения, мы можем сказать, что когда объект находится в движении и скользит, трение скольжения совпадает с кинетическим трением.

    Как увеличить трение скольжения

    Мы можем поэкспериментировать с факторами, влияющими на трение, такими как шероховатость, адгезия, давление и т. Д., Чтобы увеличить трение.

    • Придание шероховатости поверхности предмета и скользящей поверхности.Это можно сделать, создав узор или изменив форму объекта.
    • Увеличьте давление на объект. Это может происходить с помощью магнитного или электрического притяжения или даже химической адгезии.

    Как уменьшить трение скольжения

    Мы можем уменьшить трение, снова изменив факторы, влияющие на трение.

    • Сглаживание поверхностей предмета и скользящей поверхности. Это можно сделать путем шлифовки / полировки поверхностей.
    • С помощью магнитной левитации мы можем уменьшить контакт между поверхностями.
    • Смазочные материалы, такие как пластичная смазка, графит, могут уменьшить трение скольжения в небольших приложениях, таких как дверные петли.

    Разница между трением скольжения и трением качения Трение скольжения (слева) всегда больше, чем трение качения (справа)

    Коэффициент трения покоя всегда больше, чем коэффициент трения качения. Поэтому легче катить предмет, чем толкать его скольжением. Изображение выше ясно объясняет эту концепцию.Одним из недавних нововведений, основанных на этой концепции, стали сумки на колесиках, которые упростили путешествие.

    Примеры трения скольжения Керлинг: игра, в которой камень скользит по ледяному полу к цели.
    Изображение Photo Mix с сайта Pixabay
    • Деревянная коробка толкает пол
    • Глажка предмета включает в себя трение скольжения между горячим металлом и одеждой
    • Спортсмен, прыгающий в длину, скользит по песочнице
    • Книга скользит по столу включает трение скольжения
    • Дети, играющие на горке на детской площадке
    • Стрижка спичкой по шероховатой поверхности, чтобы вызвать огонь

    Каковы наиболее распространенные примеры трения скольжения в нашей повседневной жизни?
    • Трение рук зимой для выделения тепла.
    • Мытье / чистка поверхностей путем скольжения ткани по поверхности.
    • Ходьба: когда мы идем, мы толкаем землю, и трение скольжения позволяет нам двигаться вперед.

    Что такое статическое трение скольжения?

    Определение статического трения скольжения такое же, как и трение скольжения, за исключением того, что приложенная сила не может заставить объект двигаться. Таким образом, это не может считаться трением скольжения. Например, предположим, что мы хотим толкнуть стиральную машину по полу, на ее толкание требуется некоторое время, пока статическое трение скольжения не станет противодействовать движению.

    См. Также .

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *