1. Ответить на вопросы:

• Почему любое тело, приведенное в движение, в конце концов, останавливается?
  Ответ: На движущееся тело действует сила трения скольжения, которая направлена против движения и уменьшает скорость тела.
• Почему труднее санки сдвинуть с места, чем их везти?
  Ответ: Сила трения покоя при движении с места санок больше силы трения скольжения.
• Почему бочку катят, а не переносят?
  Ответ: В данном случае заменяют силу трения скольжения силой трения качения, которая значительно меньше
• Как можно уменьшить трение?
  Ответ: Смазка уменьшает трение, и заменить скольжение тела качением. Сила трения качения меньше силы трения скольжения.
• Как увеличить трение?
  Ответ: Сделать поверхность неровной (шероховатой) или увеличить силу давления.

2. Объясните поговорки о трении:

• “Не подмажешь – не поедешь”.
• “Пошло дело как по маслу”.
• “Что кругло – легко катится”.
• “Лыжи скользят по погоде”.
• “Коси, коса, пока роса, роса долой — и мы домой”

3. Давайте подведем итог нашего урока:

• Какое явление мы изучили?
• Каковы причины возникновения трения?
• От чего зависит трение?
• Какие способы уменьшения и увеличения трения существуют?
• Зависит ли трение от среды, в которой оно возникает?
• Какие виды трения существуют вокруг нас?
• Какие физические величины характеризуют каждый из видов трения?
• Что вам понравилось на уроке? (слайд12)
• Что было трудным?

4. Домашнее задание:

1. §16-17; вопросы к параграфу; 10 примеров различного проявления силы трения (найти из дополнительной литературы). Написать сочинение на тему: “Если не было силы трения”.
2. Высокий уровень. Задачи на смекалку:

• На столе лежит стопка книг. Что легче: вытянуть нижнюю книгу, придерживая остальные, или привести в движение всю стопку, потянув за нижнюю книжку?
• Чему равен коэффициент трения колёс о дорогу, если сила тяги машины массой 1т равна 500Н.

Презентация к уроку физики по теме «Сила трения. Трение покоя»

Презентация является дополнением к уроку физики в 7 классе по теме «Сила тренияТрение покоя»

Презентация к уроку «Сила трения. Трение покоя

Подготовила:

учитель физики МОУ «Лесогорская СШ»

Сатункина Н. В.

п. Лесогорск 2018

Приборы и материалы

Правила поведения на уроке

• Внимателен
• Аккуратен
• Активен

• Не выкрикивай
• Не перебивай
• Не отвлекайся

Разминка

1. Что является мерой действия одного тела на другое?

2. Какой буквой обозначается сила.

3. В каких единицах измеряется сила?

4. Как называется прибор для определения силы?

5. Как называется сила притяжения к Земле? Запишите формулу.

6. Какая сила действует на пружину?

7. Сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на опору или подвес, называется …

8. Как называется сила, равная по своему действию нескольким силам?

9. Как определяется равнодействующая 2-х сил, направленных по одной прямой в одну сторону? в противоположные стороны? Запишите формулу.

Проверь себя

1. Сила

2. F

3. Ньютон (Н)

4. Динамометр

5. Сила тяжести. F = gm

6. Сила упругости

7. Вес тела

8. Равнодействующая

9. R = F1 + F2; R = F1- F2 или R = F2 – F1

Выставляем оценки

Количество правильных ответов

Оценка

1-3

2

4-5

3

6-7

4

8-9

5

Не стыдно не знать, стыдно не учится!

• Кошка за жучку,
• Жучка за внучку,
• Внучка за бабку,
• Бабка за дедку,
• Дедка за репку,
• Тянут – потянуть, вытянуть не могут.

24. 12.18. Тема урока

Сила трения

Определение силы трения

Сила трения – это сила:

• возникающая при движении одного тела по поверхности другого;
• приложенная к движущемуся телу;
• направленная против движения тела.

Обозначение силы трения: F тр

Сила трения всегда направлена

противоположно движению

Леонардо

да Винчи

Гильом

Амонтон

Шарль Огюстен

Кулон

Причины возникновения силы трения

Неровность поверхностей

Взаимное притяжения молекул

соприкасающихся тел

Действие жидкой смазки

Динамометр

Виды трения

скольжения

покоя

качения

Проверим себя

• Ответы:
• 1) — 4,
• 2) — 3,
• 3) — 2,
• 4) — 2,
• 5) — 3

Итог урока

Домашнее задание

• § 32, 33 прочитать, устно ответить на вопросы после параграфов.
• Письменно в тетради ответьте на вопрос как передвинуть из одного угла комнаты в другой тяжелый шкаф?

Спасибо за урок!

Презентация к уроку «Сила трения»

Итак, начнем мы наш урок, Пусть он всем пойдет вам впрок. Будем слушать, отвечать, И задачки порешать!

Физический диктант:

1. Что является мерой действия одного тела на другое?

2. Какой буквой обозначается сила?

3. В каких единицах измеряется сила?

Физический диктант:

4. Как называется прибор для определения силы?

5. Как называется сила притяжения к Земле? Запишите формулу.

6. Какая сила действует на пружину?

Физический диктант:

7. Сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на опору или подвес, называется …

Задача 1

Вычислите силу тяжести, действующую на мальчика массой 36 кг.

Задача 2

Какая сила тяжести действует на тело массой 250 г?

Задача 3

Вычислите вес мраморной плиты объемом 0,12 м 3 . Плотность мрамора 2700 кг/м 3 .

Цели нашего урока:

• изучение силы трения и её видов;

• экспериментальное установление зависимости силы трения, так же определение положительной и отрицательной роли силы трения в жизни человека.

Тема урока:

«Явление трения. Сила трения»

Сила трения – это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого.

Ответим на вопросы:

Когда возникает трение? Только при движении? Существует ли трение у покоящегося тела? Какие виды сил трения существуют? Что вы можете сказать о сравнительной величине сил трения?

Выводы:

Шероховатость поверхности.

Молекулярное взаимо-действие.

Выводы:

• сила трения направлена в сторону, противоположную движению;

• имеет точку приложения,

расположенную в точке

соприкосновения тела

с поверхностью;

Вывод :

сила трения зависит от материала, из которого изготовлены тела, и от качества обработки их поверхностей.

Сила трения зависит от:

силы тяжести, действующей на движущееся тело;

качества поверхности;

площади трущихся поверхностей;

вида трения

Можно выделить три вида сил трения:

1.Трения скольжения (санки)

2.Трения качения (колёса)

3.Трения покоя (для того чтобы сдвинуть с места любое тело, необходимо приложить какую-либо силу)

Как уменьшить трение?

Шлифовка деталей трущихся поверхностей и подшипники.

Смазка.

Чтобы увеличить трение, надо:

Увеличить нагрузку (вес).

Увеличить шероховатости поверхностей.

Явление трения используют в технике:

для передачи движения;

при обработке металлов и других материалов;

при сварке трением;

при заточке инструментов;

для скрепления материалов, деталей конструкций;

при шлифовке, полировке материалов и т.д.

Учитывая отрицательную роль трения, необходимо его уменьшить.

— подбирать материалы с низким коэффициентом трения;

— повысить качество обработки трущихся поверхностей;

— заменить трение скольжения трением качения;

— использовать смазку.

Задача

Вычислите вес ученика массой 45 кг

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ. § 30 – 33 (читать),

Написать рассказ к структурной схеме изучения этой темы, привести по 3 примера положительной и отрицательной роли трения.

Конец урока

С П А С И Б О !

Конспект урока по физике 7 класс. Тема: «Сила трения».

ТЕМА :«Сила трения»

Цель: изучить явление трения;

создать условия для формирования у учащихся практических навыков :

измерения силы трения;

развивать интерес к решению задач.

Задачи урока:

• Познавательные: формировать умение планировать и проводить физические опыты, объяснять физические явления
• Развивающие и воспитательные: формировать умение систематизировать изученное, раскрывать взаимосвязь между изученным теоретическим материалом и явлением в жизни, формировать умение взаимодействовать при групповой форме работы.

Тип урока: урок формирования новых знаний.

1. Актуализация знаний

1.       Что является мерой действия одного тела на другое?

2. Какой буквой обозначается сила.
3. В каких единицах измеряется сила?
4. Как называется сила притяжения к Земле? Запишите формулу.
5. Сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на опору или подвес, называется …
6. Как называется сила, равная по своему действию нескольким силам?

 Изучение нового материала Санки, скатившись с горы, через некоторое время останавливаются. Останавливается и велосипед, если прекратить вращать педали. Автомобиль, после выключения двигателя, тоже останавливается. Мы знаем, что причиной изменения скорости движения тела является сила. Значит, и в рассмотренных примерах на каждое движущееся тело действовала сила. Что это за сила?

Определение силы трения (дадим определение этой силе)

Сила трения – это сила, которая возникает при соприкосновении поверхностей тел и препятствует их движению

Как заставит брусок двигаться вдоль крышки стола?

Для этого потребуется приложить к бруску определенное усилие. Чтобы измерить величину этого усилия, воспользуемся динамометром  (Динамо́ме́тр (от др.-греч. δύναμις — «сила» и μέτρεω — «измеряю») — прибор для измерения силы илимомента силы, состоит из силового звена (упругого элемента) и отсчетного устройства. В силовом звенеизмеряемое усилие вызывает деформацию, которая непосредственно или через передачу сообщается отсчётному устройству.)

Расположим динамометр параллельно крышке стола так, чтобы ось его пружины  была направлена горизонтально. Немного растянув пружину, брусок, несмотря на действие силы, остается в покое. Значит, появилась сила, которая компенсирует направленную горизонтально силу упругости пружины. Эта сила действует на брусок со стороны крышки стола в горизонтальном направлении. Ее называют силой  сухого трения покоя.

Силами сухого трения называют силы, возникающие при соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки. Они всегда направлены по касательной к соприкасающимся поверхностям.

Продолжая растягивать пружину динамометра, брусок начнет скользить по крышке только тогда, когда модуль силы упругости пружины, увеличиваясь, превысит некоторое значение. Следовательно, на брусок со стороны стола в горизонтальном направлении действует сила, компенсирующая силу упругости. Эту силу называют  силой сухого трения скольжения.  

Так как сумма сухого трения скольжения и сил упругости пружины равна нулю, брусок движется по поверхности стола равномерно.

— Модуль силы сухого  трения скольжения равен максимальному модулю силы сухого трения покоя.

Коэффициент трения — это основная характеристика трения как явления. Он определяется видом и состоянием поверхностей трущихся тел.

Порешаем задачи:

Задача 1. Какую горизонтальную силу надо приложить к шкафу массой 60 кг, чтобы сдвинуть его с места? Коэффициент трения между шкафом и полом 0,2.

Задача 2.

Чтобы сдвинуть стоящий в комнате шкаф, к нему необходимо приложить в горизонтальном направлении силу, модуль которой равен 200 Н. Чему равна масса шкафа, если коэффициент трения между ним и полом равен 0,4?

Задача 3.

Тело равномерно движется по плоскости. Сила давления тела на плоскость равна 20 Н, сила трения 5 Н. Чему равен коэффициент трения скольжения?

Решение.

Сила давления на плоскость, сила трения и коэффициент трения связаны соотношением Следовательно, коэффициент трения равен

Ответ: 0,25.

Подведение итогов урока.

Дом. задание

1. §§ 39, упр. 2,4,5 на стр. 178
2. Придумать сочинение на тему «Если бы исчезла сила трения …» (для желающих)

Рефлексия

Самооценка: Возьмите лист самооценки и ответьте на вопросы.

Лист самооценки

Что такое трение? — Определение, формула и силы — Видео и стенограмма урока

Силы и движение

Посмотрите на эту диаграмму. Сначала книга находится в покое. Толчок заставляет книгу скользить по столу. Сила толчка (большая F) заставляет книгу двигаться. Когда книга скользит по столу, сила трения (f) действует в противоположном направлении. Трение замедляет движение книги.Наконец, книга снова отдыхает.

Типы трения

Существуют разные виды трения. Книга, движущаяся по столу, является примером трения скольжения . Когда книга скользит по столу, нижняя часть книги касается стола. Источником трения является контакт между поверхностью книги и столом. Вес объекта и тип поверхности, по которой он перемещается, определяют величину трения скольжения между двумя объектами.Тяжелый предмет оказывает большее давление на поверхность, по которой он скользит, поэтому трение скольжения будет больше.

Воздух, вода и масло — это жидкости. Сопротивление воздуха — это тип жидкостного трения . Когда объект падает, сопротивление воздуха толкает его вверх.

Когда вы едете на велосипеде, контакт колеса с дорогой является примером трения качения . Когда объект катится по поверхности, сила, необходимая для преодоления трения качения, намного меньше, чем сила, необходимая для преодоления трения скольжения.

Кинетическое трение

Когда вы перемещали книгу по столу, она испытывала трение, которое действует на движущиеся объекты. Эта сила известна как кинетическая сила трения . Он действует на одну поверхность другой, когда две поверхности трутся друг о друга, потому что одна или обе поверхности движутся. Если вы сложите дополнительные книги поверх первой, чтобы увеличить нормальную силу, кинетическая сила трения увеличится. Давайте посмотрим на формулу для кинетической силы трения .

Между кинетической силой трения и нормальной силой существует линейная зависимость. Коэффициент кинетического трения связывает силу трения с нормальной силой. Кинетическая сила трения (F (f, кинетическая)) равна произведению коэффициента кинетического трения (µ (k)) и нормальной силы (F (N)). F (f, кинетическая) = µ (k) * F (N)

Статическое трение

Представьте, что вы пытаетесь толкнуть диван по полу.Вы нажимаете на него с небольшой силой, но он не двигается. Это потому, что он не ускоряется. Законы Ньютона говорят вам, что результирующая сила, действующая на кушетку, должна быть равна нулю. На кушетку должна действовать вторая горизонтальная сила, противодействующая вашей силе и равная по размеру. Эта сила равна силе трения покоя , которая представляет собой силу, прилагаемую к поверхности другим, когда нет движения между двумя поверхностями.

Сила статического трения действует в ответ на силу, которая пытается заставить неподвижный объект начать движение.Если на объект не действует такая сила, сила статического трения равна нулю. Если есть сила, пытающаяся вызвать движение, сила статического трения увеличится до максимального значения, прежде чем она будет преодолена и движение начнется.

Теперь давайте посмотрим на формулу для силы трения покоя . Сила статического трения (F (f, static)) меньше или равна произведению коэффициента статического трения (µ (s)) и нормальной силы (F (N)).

Максимальная сила статического трения связана с нормальной силой аналогично кинетической силе трения.В уравнении для максимальной силы трения покоя µ (с) — это коэффициент трения покоя между двумя поверхностями. Максимальная сила статического трения, которую необходимо преодолеть до начала движения, составляет µ (s) * F (N). В примере с толканием кушетки максимальная сила статического трения уравновешивает силу человека, толкающего кушетку за мгновение до того, как кушетка начинает двигаться.

Измерение коэффициентов трения

От чего зависит сила трения? Материалы, из которых изготовлены поверхности, играют роль.Например, представьте, что вы пытаетесь играть в баскетбол, надев носки вместо спортивной обуви. Вы бы поскользнулись и скользили по баскетбольной площадке. Обувь помогает обеспечить силы, необходимые для быстрого изменения направления во время бега вверх и вниз по площадке. Между вашей обувью и бетоном больше реакции, чем между носками и полированным деревянным полом.

В этой таблице показаны коэффициенты статического трения (µ (s)) и коэффициенты кинетического трения (µ (k)) между различными поверхностями.Коэффициенты трения показывают, насколько легко один объект может скользить по другому. Эти коэффициенты являются оценками для каждой комбинации поверхностей. Точные измерения коэффициентов трения весьма чувствительны к состоянию поверхностей и определяются экспериментально.

Еще одним важным фактом, касающимся таблицы, является то, что все измерения проводились на сухих поверхностях (за исключением смазанной стали). Влажные поверхности ведут себя иначе, чем сухие.

Причины трения

Все поверхности, даже кажущиеся гладкими, на микроскопическом уровне являются шероховатыми. Если вы посмотрите на фотографию кристалла графита, увеличенную с помощью сканирующего туннельного микроскопа, обнаруживаются неровности поверхности атомного уровня кристалла. Когда две поверхности соприкасаются, высокие точки на каждой соприкасаются и временно соединяются. Это источник трения. Детали этого процесса до сих пор неизвестны и являются предметом исследований как в физике, так и в технике.

Примеры трения

Мы уже рассмотрели некоторые примеры трения; мы говорили, что когда поверхность движущейся книги соприкасается со столом, возникает трение. Какие еще примеры и способы использования трения? На земле трение может быть очень полезным. Когда вы едете на велосипеде, трение между дорогой и колесами велосипеда удерживает велосипед в движении. Без трения вы не смогли бы передвигать велосипед. Если бы вы его переместили, вы не смогли бы его остановить.То же самое касается машин, поездов и даже ваших ног.

Катание на коньках популярным зимним видом спорта во многих частях страны. Когда вы катаетесь на коньках, трение скольжения между коньками и льдом очень низкое и позволяет вам двигаться по льду. Слишком сильное трение помешает вам двигаться достаточно быстро, чтобы сохранить равновесие.

Иногда трение не помогает. Например, в двигателе автомобиля металлические части всегда соприкасаются. Слишком сильное трение между металлическими частями изнашивает детали и перегревает двигатель.Изношенные детали могут быть дорогими и опасными. Для уменьшения трения в деталях машин используются несколько методов. Один из способов — использовать шариковые подшипники. Шариковый подшипник — это гладкий круглый шар, помещенный между двумя поверхностями в машине. Мяч катится, когда поверхности движутся друг мимо друга. Трение направлено на очень маленькие поверхности катящихся шариков, а не непосредственно на две большие поверхности. Трение уменьшается, поскольку площадь контакта с катящимся шариком меньше.

Представьте, что две книги трутся друг о друга.Обложки книг изнашиваются из-за трения. Если вы поместите несколько шариков между двумя книгами, они все равно могут скользить друг мимо друга. Шарики уменьшают трение, поэтому покрытия не изнашиваются так быстро.

Обычно шариковые подшипники используются в наборах. Некоторые запаяны в детали. Некоторые смазаны, чтобы еще больше уменьшить трение. Вы, вероятно, используете что-то, в котором есть шарикоподшипники. Роликовые коньки и колеса для скейтборда, велосипеды и автомобильные детали используют шарикоподшипники для уменьшения трения.

Другой метод контроля трения — использование жидкостей. Жидкость может быть жидкостью или газом, например воздухом, находящимся между частями машины. Жидкость предохраняет поверхности от прямого контакта и снижает трение. Масло в автомобильном двигателе снижает износ деталей двигателя.

Итоги урока

Давайте рассмотрим. Чтобы остановить движущийся объект, сила должна действовать в направлении, противоположном движению. Трение — это сила, которая препятствует движению объекта.Существуют различные типы трения, такие как статическое , жидкость и трение качения . Мы измеряем трение как кинетическое трение и трение покоя. Трение делает движение (и остановку!) Возможным, но трение также иногда может быть проблемой из-за износа.

Результаты обучения

Этот урок подготовил вас к:

• Определить и обсудить трение
• Назовите и опишите три типа трения
• Используйте специальные формулы для приравнивания силы статического трения и кинетической силы трения
• Описать способы контроля трения

Трение | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Обсудите общие характеристики трения.
• Опишите различные типы трения.
• Рассчитайте величину статического и кинетического трения.

Трение — это сила, которая постоянно находится вокруг нас, которая препятствует относительному движению между системами, находящимися в контакте, но также позволяет нам двигаться (что вы обнаружили, если когда-либо пытались ходить по льду). Хотя это обычная сила, поведение трения на самом деле очень сложно и до сих пор полностью не изучено. Мы должны во многом полагаться на наблюдения, чтобы понять, какое понимание мы можем получить.Однако мы все еще можем разобраться с его более элементарными общими характеристиками и понять обстоятельства, в которых он себя ведет.

Трение

Трение — это сила, которая препятствует относительному движению между контактирующими системами.

Одна из наиболее простых характеристик трения заключается в том, что оно параллельно поверхности контакта между системами и всегда в направлении, противоположном движению или попытке движения систем относительно друг друга. Если две системы находятся в контакте и движутся относительно друг друга, то трение между ними называется кинетическим трением .Например, трение замедляет скольжение хоккейной шайбы по льду. Но когда объекты неподвижны, между ними может действовать статическое трение ; статическое трение обычно больше кинетического трения между объектами.

Кинетическое трение

Если две системы находятся в контакте и движутся относительно друг друга, трение между ними называется кинетическим трением.

Представьте, например, что вы пытаетесь сдвинуть тяжелый ящик по бетонному полу — вы можете нажимать на ящик все сильнее и сильнее, не двигая его вообще.Это означает, что статическое трение реагирует на ваши действия — оно увеличивается, чтобы быть равным вашему толчку и в противоположном ему направлении. Но если вы, наконец, достаточно сильно надавите, ящик, кажется, внезапно соскользнет и начнет двигаться. Находясь в движении, легче удерживать его в движении, чем начать, что указывает на то, что кинетическая сила трения меньше, чем сила статического трения. Если вы добавите массу в ящик, скажем, поставив на него коробку, вам нужно будет еще сильнее толкнуть его, чтобы он завелся, а также чтобы он продолжал двигаться.Кроме того, если вы смазываете бетон маслом, вам будет легче запустить ящик и продолжать работу (как и следовало ожидать).

Рисунок 1 — это грубое графическое представление того, как возникает трение на границе раздела между двумя объектами. Осмотр этих поверхностей крупным планом показывает, что они шероховатые. Поэтому, когда вы нажимаете, чтобы заставить объект двигаться (в данном случае ящик), вы должны поднимать объект до тех пор, пока он не сможет проскочить вместе с только кончиками поверхности, отломать точки или сделать и то, и другое.Существенной силе можно противостоять трением без видимого движения. Чем сильнее прижимаются поверхности друг к другу (например, если на ящик ставится еще одна коробка), тем больше силы требуется для их перемещения. Частично трение происходит из-за сил сцепления между поверхностными молекулами двух объектов, которые объясняют зависимость трения от природы веществ. Адгезия зависит от контактирующих веществ и представляет собой сложный аспект физики поверхности. Когда объект движется, остается меньше точек соприкосновения (меньше прилипающих молекул), поэтому требуется меньшая сила, чтобы удерживать объект в движении.На малых, но ненулевых скоростях трение практически не зависит от скорости.

Рисунок 1.

Силы трения, такие как f , всегда противодействуют движению или попытке движения между соприкасающимися объектами. Трение возникает частично из-за шероховатости соприкасающихся поверхностей, как видно на увеличенном виде. Чтобы объект мог двигаться, он должен подняться до того места, где пики могут проскакивать по нижней поверхности. Таким образом, сила требуется только для того, чтобы привести объект в движение. Некоторые вершины будут сломаны, что также потребует силы для поддержания движения.Большая часть трения на самом деле возникает из-за сил притяжения между молекулами, составляющими два объекта, так что даже идеально гладкие поверхности не свободны от трения. Такие силы сцепления также зависят от веществ, из которых сделаны поверхности, что, например, объясняет, почему обувь с резиновой подошвой скользит меньше, чем обувь с кожаной подошвой.

Величина силы трения имеет две формы: одну для статических ситуаций (статическое трение), другую для движения (кинетическое трение).

Когда нет движения между объектами, величина статического трения f _s составляет f _s ≤ μ _s N , где μ _s — коэффициент трения покоя и Н, — величина нормальной силы (силы, перпендикулярной поверхности).

Величина статического трения

Величина статического трения f _s составляет f _s ≤ μ _s N , где μ _s — коэффициент статического трения, а N — величина нормальная сила.

Символ ≤ означает, что меньше или равно , что означает, что статическое трение может иметь минимальное и максимальное значение μ _s N .Статическое трение — это сила реакции, которая увеличивается, чтобы быть равной и противоположной любой приложенной силе, вплоть до своего максимального предела. Как только приложенная сила превысит f _{с (макс.)} , объект переместится. Таким образом, f _{с (макс.)} = μ _с N .

Когда объект движется, величина кинетического трения f _k определяется как f _k = μ _k N , где μ _k — коэффициент кинетического трения.Система, в которой f _k = μ _k N описывается как система, в которой трение ведет себя просто .

Величина кинетического трения

Величина кинетического трения f _k определяется как f _k = μ _k N , где μ _k — коэффициент кинетического трения.

Как видно из таблицы 1, коэффициенты кинетического трения меньше, чем у их статических аналогов.То, что значения µ в Таблице 1 указаны с точностью до одной или, самое большее, двух цифр, является показателем приблизительного описания трения, даваемого двумя вышеупомянутыми уравнениями.

Уравнения, приведенные ранее, включают зависимость трения от материалов и нормальной силы. Направление трения всегда противоположно направлению движения, параллельно поверхности между объектами и перпендикулярно нормальной силе. Например, если ящик, который вы пытаетесь толкнуть (с силой, параллельной полу), имеет массу 100 кг, то нормальная сила будет равна его весу, Вт = мг = (100 кг) ( 9,80 м / с ² ) = 980 Н, перпендикулярно полу.Если коэффициент статического трения составляет 0,45, вам придется приложить силу, параллельную полу, более f _{с (макс.)} = μ _с Н = (0,45) (980) Н = 440N, чтобы переместить ящик. Когда есть движение, трение меньше, и коэффициент кинетического трения может быть 0,30, так что сила всего 290 Н f _k = μ _k N = (0,30) (980N) = 290N позволял ему двигаться с постоянной скоростью.Если пол смазан, оба коэффициента будут значительно меньше, чем без смазки. Коэффициент трения — это величина, на единицу меньше, с величиной обычно от 0 до 1,0. Коэффициент трения зависит от двух соприкасающихся поверхностей.

Эксперимент на вынос

Найдите небольшой пластиковый предмет (например, контейнер для еды) и поставьте его на кухонный стол, легонько постучав по нему. Теперь обрызгайте стол водой, имитируя легкий дождь.Что происходит теперь, когда вы нажимаете на объект одинакового размера? Теперь добавьте несколько капель (растительного или оливкового) масла на поверхность воды и дайте такой же кран. Что происходит? Это последнее обстоятельство особенно важно для водителей, особенно после небольшого ливня. Почему?

Многие люди испытывали скользкость при ходьбе по льду. Однако многие части тела, особенно суставы, имеют гораздо меньшие коэффициенты трения — часто в три или четыре раза меньше, чем у льда.Сустав образован концами двух костей, которые соединены толстыми тканями. Коленный сустав образован костью голени (большеберцовая кость) и бедренной костью (бедренная кость). Бедро представляет собой шарообразный (на конце бедренной кости) и суставную впадину (часть таза). Концы костей в суставе покрыты хрящом, который обеспечивает гладкую, почти стеклянную поверхность. Суставы также производят жидкость (синовиальную жидкость), которая снижает трение и износ. Поврежденный или артритный сустав можно заменить искусственным суставом (рис. 2).Эти заменители могут быть изготовлены из металла (нержавеющая сталь или титан) или пластика (полиэтилен), также с очень малым коэффициентом трения.

Рис. 2. Замена искусственного колена — это процедура, которая проводится более 20 лет. На этом рисунке мы видим послеоперационные рентгеновские снимки замены правого коленного сустава. (Источник: Майк Бэрд, Flickr)

Другие природные лубриканты включают слюну, вырабатываемую во рту, чтобы помочь в процессе глотания, и скользкую слизь, находящуюся между органами в теле, позволяющую им свободно перемещаться друг мимо друга во время сердечных сокращений, во время дыхания и при движении человека.Искусственные лубриканты также распространены в больницах и врачебных клиниках. Например, когда выполняется ультразвуковое сканирование, гель, который соединяет датчик с кожей, также служит для смазывания поверхности между датчиком и кожей, тем самым снижая коэффициент трения между двумя поверхностями. Это позволяет датчику свободно перемещаться по коже.

Пример 1. Упражнение на лыжах

Лыжник массой 62 кг спускается по снежному склону. Найдите коэффициент кинетического трения лыжника, если известно, что трение составляет 45.0 Н.

Стратегия

Величина кинетического трения была задана равной 45,0 Н. Кинетическое трение связано с нормальной силой N как f _k = μ _k N ; таким образом, коэффициент кинетического трения можно найти, если мы сможем найти нормальную силу лыжника на склоне. Нормальная сила всегда перпендикулярна поверхности, и поскольку нет движения перпендикулярно поверхности, нормальная сила должна равняться составляющей веса лыжника, перпендикулярной склону.(См. Диаграмму лыжника и свободного тела на рисунке 3.)

Рисунок 3.

Движение лыжника и трение параллельны склону, поэтому наиболее удобно проецировать все силы в систему координат, где одна ось параллельна склону, а другая перпендикулярна (оси показаны слева от лыжника). N (нормальная сила) перпендикулярна склону, а f (трение) параллельно склону, но w (вес лыжника) имеет составляющие вдоль обеих осей, а именно w _⊥ и W _// .N равно по величине w _⊥ , поэтому движение перпендикулярно откосу отсутствует. Однако по величине f меньше W _// , поэтому есть ускорение вниз по склону (по оси x ).

То есть N = w _⊥ = w cos 25º = mg cos 25º.

Подставляя это в наше выражение для кинетического трения, мы получаем f _k = μ _k mg cos 25º, которое теперь может быть решено для коэффициента кинетического трения μ _k .2) (0,906)} = 0,082 \ [/ латекс].

Обсуждение

Этот результат немного меньше, чем коэффициент, указанный в Таблице 5.1 для вощеной древесины на снегу, но он все же разумен, поскольку значения коэффициентов трения могут сильно различаться. В подобных ситуациях, когда объект массой м скользит вниз по склону, составляющему угол θ с горизонталью, трение определяется как f _k = μ _k mg cos θ .В этих условиях все объекты будут скользить по склону с постоянным ускорением. Доказательство этого остается для задач и упражнений в этой главе.

Эксперимент на вынос

Объект будет скользить по наклонной плоскости с постоянной скоростью, если результирующая сила, действующая на объект, равна нулю. Мы можем использовать этот факт для измерения коэффициента кинетического трения между двумя объектами. Как показано в Примере 1, кинетическое трение на склоне f _k = μ _k mg cos θ.Компонент веса вниз по склону равен мг sin θ (см. Диаграмму свободного тела на рисунке 3). Эти силы действуют в противоположных направлениях, поэтому, когда они имеют одинаковую величину, ускорение равно нулю. Выписываем их:

f _k = Fg _x

μ _k мг cos θ = мг sin θ.

Решая для μ _k , находим, что

[латекс] \ displaystyle \ mu _ {\ text {k}} = \ frac {mg \ sin \ theta} {mg \ cos \ theta} = \ tan \ theta \\ [/ latex]

Поместите монету в книгу и наклоните ее, пока монета не будет скользить по книге с постоянной скоростью.Возможно, вам придется слегка постучать по книге, чтобы монета сдвинулась с места. Измерьте угол наклона относительно горизонтали и найдите μ _k . Обратите внимание, что монета вообще не начнет скользить, пока не будет достигнут угол более θ , поскольку коэффициент статического трения больше, чем коэффициент кинетического трения. Обсудите, как это может повлиять на значение μ _k и его неопределенность.

Мы обсуждали, что когда объект опирается на горизонтальную поверхность, его поддерживает нормальная сила, величина которой равна его весу.Кроме того, простое трение всегда пропорционально нормальной силе.

Установление соединений: объяснение трения под микроскопом

Наиболее простые аспекты трения, о которых до сих пор говорилось, — это его макроскопические (крупномасштабные) характеристики. За последние несколько десятилетий в объяснении трения в атомном масштабе были достигнуты большие успехи. Исследователи обнаруживают, что атомная природа трения, по-видимому, имеет несколько фундаментальных характеристик. Эти характеристики не только объясняют некоторые из более простых аспектов трения — они также содержат потенциал для развития среды, почти свободной от трения, которая могла бы сэкономить сотни миллиардов долларов энергии, которая в настоящее время преобразуется (без необходимости) в тепло.

Рисунок 4 иллюстрирует одну макроскопическую характеристику трения, которая объясняется микроскопическими (мелкомасштабными) исследованиями. Мы отметили, что трение пропорционально нормальной силе, но не площади контакта, что несколько противоречит здравому смыслу. Когда две шероховатые поверхности соприкасаются, фактическая площадь контакта составляет крошечную долю от общей площади, поскольку соприкасаются только высокие точки. Когда прикладывается большая нормальная сила, фактическая площадь контакта увеличивается, и обнаруживается, что трение пропорционально этой площади.

Рис. 4. Две соприкасающиеся шероховатые поверхности имеют гораздо меньшую площадь фактического контакта, чем их общая площадь. Когда нормальная сила больше в результате большей приложенной силы, площадь фактического контакта увеличивается, как и трение.

Но представление в атомном масштабе обещает объяснить гораздо больше, чем более простые особенности трения. Механизм генерации тепла сейчас определяется. Другими словами, почему при трении поверхности нагреваются? По сути, атомы связаны друг с другом, образуя решетки.Когда поверхности трутся, поверхностные атомы прилипают и заставляют атомные решетки вибрировать, по сути создавая звуковые волны, проникающие в материал. Звуковые волны уменьшаются с расстоянием, и их энергия преобразуется в тепло. Химические реакции, связанные с трением, также могут происходить между атомами и молекулами на поверхностях. На рисунке 5 показано, как острие зонда, проведенного по другому материалу, деформируется трением атомного масштаба. Сила, необходимая для перетаскивания наконечника, может быть измерена и, как выяснилось, связана с напряжением сдвига, которое будет обсуждаться позже в этой главе.Изменение напряжения сдвига замечательно (более чем в 10 ¹² ) и трудно предсказуемо теоретически, но напряжение сдвига дает фундаментальное понимание крупномасштабного явления, известного с древних времен — трения.

Рис. 5. Наконечник зонда деформируется вбок под действием силы трения, когда зонд перемещается по поверхности. Измерения того, как сила изменяется для разных материалов, дают фундаментальное представление об атомной природе трения.

Исследования PhET: силы и движение

Узнайте, какие силы действуют, когда вы пытаетесь толкнуть шкаф для хранения документов. Создайте приложенную силу и посмотрите результирующую силу трения и общую силу, действующую на корпус. На графиках показаны силы, положение, скорость и ускорение в зависимости от времени. Нарисуйте схему свободного тела всех сил (включая гравитационные и нормальные силы).

Нажмите, чтобы загрузить. Запускать на Java.

Сводка раздела

• Трение — это сила контакта между системами, которая препятствует движению или попытке движения между ними.Простое трение пропорционально нормальной силе N, толкающей системы вместе. (Нормальная сила всегда перпендикулярна поверхности контакта между системами.) Трение зависит от обоих материалов. Величина статического трения [латекс] {f} _ {\ text {s}} \\ [/ latex] между системами, неподвижными относительно друг друга, определяется как [латекс] {f} _ {\ text {s}} \ le {\ mu} _ {\ text {s}} N \\ [/ latex], где [latex] {\ mu} _ {\ text {s}} \\ [/ latex] — коэффициент статического трения, что зависит от обоих материалов.
• Кинетическая сила трения [латекс] {f} _ {\ text {k}} \\ [/ latex] между системами, движущимися относительно друг друга, определяется как [латекс] {f} _ {\ text {k}} = {\ mu} _ {\ text {k}} N \\ [/ latex], где [latex] {\ mu} _ {\ text {k}} \\ [/ latex] — коэффициент кинетического трения, который также зависит от обоих материалов.

Концептуальные вопросы

1. Определите нормальную силу. Каково его отношение к трению, когда трение ведет себя просто?
2. Клей на куске ленты может оказывать давление.Могут ли эти силы быть типом простого трения? Объясните, особенно учитывая, что лента может прилипать к вертикальным стенам и даже потолкам.
3. Когда вы учитесь водить машину, вы обнаруживаете, что вам нужно немного ослабить педаль тормоза, когда вы останавливаетесь, иначе автомобиль резко остановится. Объясните это с точки зрения взаимосвязи между статическим и кинетическим трением.
4. Когда вы толкаете мел по классной доске, он иногда визжит, потому что он быстро то скользит, то прилипает к доске.Опишите этот процесс более подробно, в частности, объясните, как он связан с тем фактом, что кинетическое трение меньше трения покоя. (Тот же процесс проскальзывания-захвата происходит, когда шины скрипят о тротуар.)

Задачи и упражнения

Ответьте на вопросы в этом разделе с помощью правильного количества значащих цифр и правильных единиц.

1. Специалист по физике готовит завтрак, когда замечает, что сила трения между его стальной лопаткой и тефлоновой сковородой составляет всего 0.200 Н. Зная коэффициент кинетического трения между двумя материалами, он быстро вычисляет нормальную силу. Что это такое?
2. При ремонте двигателя своей машины специалист по физике должен приложить 300 Н силы, чтобы вставить сухой стальной поршень в стальной цилиндр. а) Какова величина нормальной силы между поршнем и цилиндром? б) Какую величину силы ей пришлось бы приложить, если бы стальные детали были смазаны маслом?
3. (a) Какова максимальная сила трения в коленном суставе человека, который поддерживает 66.0 кг ее массы на этом колене? (б) Во время интенсивных упражнений к суставам можно приложить усилия, которые легко в десять раз превышают поддерживаемый вес. Какова максимальная сила трения в таких условиях? Силы трения в суставах относительно малы при любых обстоятельствах, за исключением случаев, когда суставы ухудшаются, например, в результате травмы или артрита. Повышенные силы трения могут вызвать дальнейшие повреждения и боль.
4. Предположим, у вас есть деревянный ящик весом 120 кг, стоящий на деревянном полу.а) Какую максимальную силу вы можете приложить к ящику по горизонтали, не перемещая его? (б) Если вы продолжите прилагать эту силу после того, как ящик начнет скользить, какова будет величина его ускорения?
5. (a) Если половина веса небольшого грузовика грузоподъемностью 1,00 × 10 ³ кг поддерживается двумя его ведущими колесами, какова величина максимального ускорения, которого он может достичь на сухом бетоне? б) Будет ли металлический шкаф, лежащий на деревянной платформе грузовика, скользить, если он ускоряется с такой скоростью? (c) Решите обе проблемы, предполагая, что грузовик имеет полный привод.
6. Бригада из восьми собак тянет сани с вощеными деревянными полозьями по мокрому снегу (месиво!). Собаки имеют среднюю массу 19,0 кг, а груженые сани с наездником имеют массу 210 кг. (а) Рассчитайте величину ускорения, начиная с состояния покоя, если каждая собака прикладывает среднюю силу 185 Н назад по снегу. б) Какова величина ускорения, когда сани начинают двигаться? (c) Для обеих ситуаций рассчитайте величину силы сцепления между собаками и салазками.
7. Представьте фигуристку весом 65,0 кг, которого толкают двое других, показанных на рисунке 6. (a) Найдите направление и величину [латекса] {\ mathbf {F}} _ {\ text {tot}} \\ [/ latex ], общая сила, приложенная к ней другими, учитывая, что величины [латекс] {F} _ {1} \\ [/ латекс] и [латекс] {F} _ {2} \\ [/ латекс] равны 26,4 Н и 18,6 Н соответственно; (b) Каково ее начальное ускорение, если она изначально неподвижна и носит коньки со стальными лезвиями, которые указывают в направлении [latex] {\ mathbf {F}} _ {\ text {tot}} \\ [/ latex]? (c) Какое у нее ускорение, если предположить, что она уже движется в направлении [latex] {\ mathbf {F}} _ {\ text {tot}} \\ [/ latex]? (Помните, что трение всегда действует в направлении, противоположном движению или попытке движения между соприкасающимися поверхностями.)

   Рисунок 6.

8. Покажите, что ускорение любого объекта вниз по склону без трения, который составляет угол θ с горизонталью, равно a = g sin θ . (Обратите внимание, что это ускорение не зависит от массы.)
9. Покажите, что ускорение любого объекта вниз по склону, где трение ведет себя просто (то есть, где f _k = μ _k N ), составляет a = g (sin θ — μ _k cos θ ).Обратите внимание, что ускорение не зависит от массы и сводится к выражению, найденному в предыдущей задаче, когда трение становится пренебрежимо малым ( μ _k = 0).
10. Рассчитайте замедление снежной бордюры при подъеме на 5,0 ° с учетом коэффициента трения вощеной древесины по мокрому снегу. Результат вопроса 9 может быть полезен, но будьте осторожны, чтобы принять во внимание тот факт, что сноубордист едет в гору. Ясно покажите, как вы следуете шагам, указанным в Стратегиях решения проблем.
11. (a) Рассчитайте ускорение лыжника, спускающегося по склону 10,0 °, принимая коэффициент трения для вощеной древесины по мокрому снегу. (b) Найдите угол наклона, под которым лыжник может двигаться по инерции с постоянной скоростью. Сопротивлением воздуха в обеих частях можно пренебречь, и вы найдете результат вопроса 9 полезным. Ясно покажите, как вы следуете шагам, указанным в Стратегиях решения проблем.
12. Если объект должен стоять на склоне без скольжения, то трение должно равняться составляющей веса объекта, параллельной уклону.{-1} \ mu _ {\ text {s}} \\ [/ latex]. Вы можете использовать результат предыдущей задачи. Предположим, что a = 0 и статическое трение достигло максимального значения.
13. Рассчитайте максимальное замедление автомобиля, движущегося под уклоном 6º (угол наклона 6º с горизонтом) при следующих дорожных условиях. Вы можете предположить, что вес автомобиля равномерно распределен на всех четырех шинах и что учитывается коэффициент статического трения, то есть шины не могут проскальзывать во время замедления.(Не обращайте внимания на прокатку.) Рассчитайте для автомобиля: (a) На сухом бетоне; б) на мокром бетоне; (c) На льду, при условии, что [latex] {\ mu} _ {\ text {s}} = 0,100 \\ [/ latex], то же самое, что и для обуви на льду.
14. Рассчитайте максимальное ускорение автомобиля, движущегося вверх по склону 4º (угол 4º с горизонтом) при следующих дорожных условиях. Предположим, что только половина веса автомобиля поддерживается двумя ведущими колесами и что учитывается коэффициент статического трения, то есть шины не могут проскальзывать во время ускорения.{5} N \\ [/ latex], если двигатели действуют одинаково? Это не большая сила трения для такой массивной системы. Трение качения поездов невелико, и, следовательно, поезда являются очень энергоэффективными транспортными системами. (b) Какова величина силы в сцепке между 37-м и 38-м вагонами (это сила, которую каждый оказывает на другой), если предположить, что все автомобили имеют одинаковую массу и что трение равномерно распределено между всеми вагонами и двигатели?
15. Рассмотрим 52.Альпинист с весом 0 кг на рис. 7. (a) Найдите натяжение веревки и силу, которую альпинист должен приложить ногами к вертикальной поверхности скалы, чтобы оставаться в неподвижном состоянии. Предположим, что сила прилагается параллельно ее ногам. Также предположим, что ее руки оказывают незначительное усилие; б) Каков минимальный коэффициент трения между ее туфлями и обрывом?

    Рис. 7. Часть веса альпиниста поддерживается веревкой, а часть — трением между ногами и скалой.

16. Участник зимних видов спорта толкает 45.0-килограммовая глыба льда через замерзшее озеро, как показано на рис. 8а. (a) Рассчитайте минимальную силу F, которую он должен приложить, чтобы заставить блок двигаться; б) Какова величина его ускорения, когда он начинает двигаться, если эта сила сохраняется?

    Рис. 8. Какой метод скольжения ледяной глыбы требует меньшего усилия — (а) толкать или (б) тянуть под тем же углом относительно горизонтали?

17. Повторите вопрос 18 с участником, который тянет ледяную глыбу с веревкой через плечо под тем же углом относительно горизонтали, как показано на рисунке 8b.

Глоссарий

трение: сила, противодействующая относительному движению или попыткам движения между системами, находящимися в контакте

кинетическое трение: сила, которая противодействует движению двух систем, которые находятся в контакте и движутся относительно друг друга

статическое трение: сила, которая противодействует движению двух систем, которые находятся в контакте и не движутся относительно друг друга

величина статического трения: [латекс] {f} _ {\ text {s}} \ le {\ mu} _ {\ text {s}} N \\ [/ latex], где [латекс] {\ mu} _ {\ text {s}} \\ [/ latex] — коэффициент статического трения, а N — величина нормальной силы.

величина кинетического трения: [латекс] {f} _ {\ text {k}} = {\ mu} _ {\ text {k}} N \\ [/ latex], где [латекс] {\ mu } _ {\ text {k}} \\ [/ latex] — коэффициент кинетического трения

Избранные решения проблем и упражнения

1.5.00 N

4. а) 588 с.ш .; (б) 1,96 м / с ²

6. а) 3,29 м / с ² ; (б) 3,52 м / с ² ; (c) 980 ́с.ш., 945 ́с.ш.

10. 1.83 м / с ²

14. (а) 4,20 м / с ² ; (б) 2,74 м / с ² ; (в) –0,195 м / с ²

16. а — 1.03 × 106 Н; (б) 3,48 × 105 Н

18. а) 51,0 с.ш .; (б) 0,720 м / с ²

6.2 Трение — Университетская физика, том 1

Цели обучения

К концу раздела вы сможете:

• Опишите общие характеристики трения
• Перечислите различные типы трения
• Рассчитайте величину статического и кинетического трения и используйте их в задачах, связанных с законами движения Ньютона.

Когда тело находится в движении, оно имеет сопротивление, потому что оно взаимодействует с окружающей средой.Это сопротивление представляет собой силу трения. Трение противодействует относительному движению между контактирующими системами, но также позволяет нам двигаться — концепция, которая становится очевидной, если вы пытаетесь ходить по льду. Трение — обычная, но сложная сила, и ее поведение до сих пор полностью не изучено. Тем не менее, можно понять обстоятельства, в которых он ведет себя.

Статическое и кинетическое трение

Основное определение трения относительно просто сформулировать.

Трение

Трение — это сила, которая препятствует относительному движению между контактирующими системами.

Существует несколько форм трения. Одна из более простых характеристик трения скольжения состоит в том, что оно параллельно контактным поверхностям между системами и всегда находится в направлении, противоположном движению или попытке движения систем относительно друг друга. Если две системы находятся в контакте и движутся относительно друг друга, то трение между ними называется кинетическим трением. Например, трение замедляет скольжение хоккейной шайбы по льду. Когда объекты неподвижны, между ними может действовать статическое трение; статическое трение обычно больше кинетического трения между двумя объектами.

Статическое и кинетическое трение

Если две системы находятся в контакте и неподвижны относительно друг друга, то трение между ними называется трением покоя . Если две системы находятся в контакте и движутся относительно друг друга, то трение между ними называется кинетическим трением .

Представьте, например, что вы пытаетесь сдвинуть тяжелый ящик по бетонному полу — вы можете очень сильно надавить на ящик и вообще не сдвинуть его. Это означает, что статическое трение реагирует на ваши действия — оно увеличивается, чтобы быть равным вашему толчку и в противоположном ему направлении.Если вы, наконец, достаточно сильно надавите, ящик, кажется, внезапно соскользнет и начнет двигаться. Теперь статическое трение уступает место кинетическому трению. Находясь в движении, легче удерживать его в движении, чем начать, что указывает на то, что кинетическая сила трения меньше, чем сила статического трения. Если вы добавите массу в ящик, скажем, поставив на него коробку, вам нужно будет еще сильнее толкнуть его, чтобы он завелся, а также чтобы он продолжал двигаться. Кроме того, если вы смазываете бетон, вам будет легче запустить ящик и продолжать его работу (как и следовало ожидать).

(рисунок) — это грубое графическое изображение того, как возникает трение на границе между двумя объектами. Осмотр этих поверхностей крупным планом показывает, что они шероховатые. Таким образом, когда вы нажимаете, чтобы заставить объект двигаться (в данном случае ящик), вы должны поднимать объект до тех пор, пока он не сможет проскочить, ударяясь только кончиками поверхности, отламывая точки или и то и другое. Существенной силе можно противостоять трением без видимого движения. Чем сильнее прижимаются поверхности друг к другу (например, если на ящик ставится еще одна коробка), тем больше силы требуется для их перемещения.Частично трение происходит из-за сил сцепления между поверхностными молекулами двух объектов, что объясняет зависимость трения от природы веществ. Например, обувь на резиновой подошве скользит меньше, чем на кожаной. Адгезия зависит от контактирующих веществ и представляет собой сложный аспект физики поверхности. Когда объект движется, остается меньше точек соприкосновения (меньше прилипающих молекул), поэтому требуется меньшая сила, чтобы удерживать объект в движении. На малых, но ненулевых скоростях трение практически не зависит от скорости.

всегда противодействует движению или попытке движения между соприкасающимися объектами. Трение возникает частично из-за шероховатости соприкасающихся поверхностей, как видно на увеличенном виде. Чтобы объект переместился, он должен подняться до того места, где пики верхней поверхности могут проплывать по нижней поверхности. Таким образом, сила требуется только для того, чтобы привести объект в движение. Некоторые вершины будут сломаны, что также потребует силы для поддержания движения.Большая часть трения на самом деле возникает из-за сил притяжения между молекулами, составляющими два объекта, так что даже идеально гладкие поверхности не свободны от трения. (Фактически, идеально гладкие, чистые поверхности из аналогичных материалов будут прилипать, образуя соединение, называемое «холодной сваркой».)

Величина силы трения имеет две формы: одна для статических ситуаций (статическое трение), другая для ситуаций, связанных с движением (кинетическое трение). Далее следует лишь приблизительная эмпирическая (экспериментально определенная) модель.Эти уравнения статического и кинетического трения не являются векторными уравнениями.

Величина статического трения

Величина статического трения

это

где

— это коэффициент трения покоя , и N, — величина нормальной силы.

Обозначение

означает меньше или равно , подразумевая, что статическое трение может иметь максимальное значение

Статическое трение — это сила реакции, которая увеличивается, чтобы быть равной и противоположной любой приложенной силе, вплоть до своего максимального предела.Как только приложенная сила превышает

объект перемещается. Таким образом,

Величина кинетического трения

Величина кинетического трения

соответствует

где

— коэффициент кинетического трения .

Система, в которой

описывается как система, в которой трение ведет себя просто .Переход от статического трения к кинетическому трению показан на (Рисунок).

между блоком и шероховатой поверхностью противоположно направлению приложенной силы

Величина статического трения уравновешивает приложенную силу. Это показано в левой части графика в (c). (b) В какой-то момент величина приложенной силы превышает силу кинетического трения, и блок перемещается вправо.Это показано в правой части графика. (c) график зависимости силы трения от приложенной силы; обратите внимание, что

Это означает, что

Как вы можете видеть на (Рисунок), коэффициенты кинетического трения меньше, чем их статические аналоги. Примерные значения

состоит только из одной или двух цифр, чтобы указать приблизительное описание трения, заданное двумя предыдущими уравнениями.

(Рисунок) и (Рисунок) включают зависимость трения от материалов и нормальной силы. Направление трения всегда противоположно направлению движения, параллельно поверхности между объектами и перпендикулярно нормальной силе.Например, если ящик, который вы пытаетесь толкнуть (с силой, параллельной полу), имеет массу 100 кг, то нормальная сила равна его весу,

перпендикулярно полу. Если коэффициент трения покоя равен 0,45, вам придется приложить силу, параллельную полу, более

, чтобы переместить ящик. Когда есть движение, трение меньше, и коэффициент кинетического трения может быть 0,30, так что сила только

поддерживает его движение с постоянной скоростью.Если пол смазан, оба коэффициента будут значительно меньше, чем без смазки. Коэффициент трения — это безразмерная величина с величиной обычно от 0 до 1,0. Фактическое значение зависит от двух соприкасающихся поверхностей.

Многие люди испытывали скользкость при ходьбе по льду. Однако многие части тела, особенно суставы, имеют гораздо меньшие коэффициенты трения — часто в три или четыре раза меньше, чем у льда. Сустав образован концами двух костей, которые соединены толстыми тканями.Коленный сустав образован костью голени (большеберцовая кость) и бедренной костью (бедренная кость). Бедро представляет собой шарообразный (на конце бедренной кости) и суставную впадину (часть таза). Концы костей в суставе покрыты хрящом, который обеспечивает гладкую, почти стеклянную поверхность. Суставы также производят жидкость (синовиальную жидкость), которая снижает трение и износ. Поврежденный или артритный сустав можно заменить искусственным суставом ((Рисунок)). Эти заменители могут быть изготовлены из металла (нержавеющая сталь или титан) или пластика (полиэтилен), также с очень малым коэффициентом трения.

Натуральные лубриканты включают слюну, вырабатываемую во рту, чтобы помочь в процессе глотания, и скользкую слизь, находящуюся между органами в теле, позволяющую им свободно перемещаться друг мимо друга во время сердечных сокращений, во время дыхания и при движении человека. Больницы и врачебные клиники обычно используют искусственные смазки, такие как гели, для уменьшения трения.

Уравнения статического и кинетического трения представляют собой эмпирические законы, описывающие поведение сил трения. Хотя эти формулы очень полезны для практических целей, они не имеют статуса математических утверждений, которые представляют общие принципы (например, второй закон Ньютона). Фактически, есть случаи, когда эти уравнения даже не являются хорошими приближениями. Например, ни одна из формул не является точной для смазанных поверхностей или для двух поверхностей, пересекающих друг друга на высоких скоростях.Если не указано иное, мы не будем касаться этих исключений.

Пример

Статическое и кинетическое трение

Ящик весом 20,0 кг стоит на полу, как показано на (Рисунок). Коэффициент статического трения между обрешеткой и полом составляет 0,700, а коэффициент кинетического трения составляет 0,600. Горизонтальная сила

наносится на обрешетку. Найдите силу трения, если: а)

(б)

(в)

и (d)

(b) Силы, действующие на ящик. Здесь

может представлять либо статическую, либо кинетическую силу трения.

Стратегия

Схема ящика со свободным телом показана на (Рисунок) (b). Мы применяем второй закон Ньютона в горизонтальном и вертикальном направлениях, включая силу трения, противоположную направлению движения коробки.

Решение

Второй закон Ньютона дает

Здесь мы используем символ f для обозначения силы трения, поскольку мы еще не определили, подвержен ли ящик трению станции или кинетическому трению.Мы делаем это всякий раз, когда не уверены, какой тип трения действует. Теперь вес ящика

, что также равно N . Таким образом, максимальная сила статического трения составляет

до

меньше 137 Н, сила трения покоя удерживает ящик в неподвижном состоянии, а

Таким образом, (а)

(б)

и (c)

(d) Если

: приложенная сила превышает максимальную силу трения покоя (137 Н), поэтому ящик больше не может оставаться в покое.Когда ящик находится в движении, действует кинетическое трение. Тогда

и ускорение

Значение

Этот пример иллюстрирует, как мы рассматриваем трение в задаче динамики. Обратите внимание, что статическое трение имеет значение, соответствующее приложенной силе, пока мы не достигнем максимального значения статического трения. Кроме того, движение не может происходить до тех пор, пока приложенная сила не сравняется с силой статического трения, но тогда сила кинетического трения станет меньше.

Проверьте свое понимание

Блок массой 1,0 кг стоит на горизонтальной поверхности. Коэффициенты трения для блока и поверхности

и

(a) Какая минимальная горизонтальная сила требуется для перемещения блока? (б) Каково ускорение блока при приложении этой силы?

[показывать-ответ q = ”fs-id1165036788230 ″] Показать решение [/ показывать-ответ]

[скрытый-ответ a = ”fs-id1165036788230 ″]

а.4.9 Н; б. 0,98 м / с ²

[/ hidden-answer]

Трение и наклонная плоскость

Одна из ситуаций, в которой трение играет очевидную роль, — это объект на склоне. Это может быть ящик, который поднимают по пандусу к погрузочной платформе, или скейтбордист, спускающийся с горы, но основная физика остается той же. Обычно мы обобщаем наклонную поверхность и называем ее наклонной плоскостью , но затем делаем вид, что поверхность плоская. Давайте посмотрим на пример анализа движения на наклонной плоскости с трением.

Пример

Скоростной спуск

Лыжник массой 62 кг скользит по снежному склону с постоянной скоростью. Найдите коэффициент кинетического трения лыжника, если известно, что трение составляет 45,0 Н.

Стратегия

Величина кинетического трения равна 45,0 Н. Кинетическое трение связано с нормальной силой

по

; таким образом, мы можем найти коэффициент кинетического трения, если сможем найти нормальную силу, действующую на лыжника.Нормальная сила всегда перпендикулярна поверхности, и поскольку нет движения перпендикулярно поверхности, нормальная сила должна равняться составляющей веса лыжника, перпендикулярной склону. (См. (Рисунок), на котором повторяется фигура из главы о законах движения Ньютона.)

перпендикулярно откосу, а трение

параллельна склону, но вес лыжника

имеет компоненты по обеим осям, а именно

и

Нормальная сила

равна по величине

, чтобы не было движения перпендикулярно откосу. Однако

меньше

по величине, значит, есть ускорение вниз по склону (по оси x).

У нас

Подставляя это в выражение для кинетического трения, получаем

, который теперь можно решить для коэффициента кинетического трения

Решение

Решение для

дает

Подставляя известные значения в правую часть уравнения,

Значение

Этот результат немного меньше, чем коэффициент, указанный на (Рисунок) для вощеной древесины на снегу, но он все же разумен, поскольку значения коэффициентов трения могут сильно различаться.В таких ситуациях, когда объект массой м скользит по склону, составляющему угол

с горизонталью, трение дает

В этих условиях все объекты скользят по склону с постоянным ускорением.

Мы обсуждали, что когда объект лежит на горизонтальной поверхности, нормальная сила, поддерживающая его, равна по величине его весу. Кроме того, простое трение всегда пропорционально нормальной силе.Когда объект находится не на горизонтальной поверхности, как в случае с наклонной плоскостью, мы должны найти силу, действующую на объект, которая направлена ​​перпендикулярно поверхности; это составляющая веса.

Теперь мы выведем полезное соотношение для расчета коэффициента трения на наклонной плоскости. Обратите внимание, что результат применим только к ситуациям, когда объект скользит по рампе с постоянной скоростью.

Объект скользит по наклонной плоскости с постоянной скоростью, если результирующая сила, действующая на объект, равна нулю.Мы можем использовать этот факт для измерения коэффициента кинетического трения между двумя объектами. Как показано на (Рисунок), кинетическое трение на склоне составляет

. Составляющая веса вниз по склону равна

(см. Схему свободного тела на (Рисунок)). Эти силы действуют в противоположных направлениях, поэтому, когда они имеют одинаковую величину, ускорение равно нулю. Записывая это,

Решение для

находим, что

Поместите монету в книгу и наклоните ее, пока монета не будет скользить по книге с постоянной скоростью.Возможно, вам придется слегка постучать по книге, чтобы монета сдвинулась с места. Измерьте угол наклона относительно горизонтали и найдите

Обратите внимание, что монета вообще не начинает скользить, пока угол не превышает

достигается, поскольку коэффициент трения покоя больше, чем коэффициент кинетического трения. Подумайте, как это может повлиять на значение

и его неопределенность.

Объяснение трения в атомном масштабе

Наиболее простые аспекты трения, о которых до сих пор говорилось, — это его макроскопические (крупномасштабные) характеристики.За последние несколько десятилетий в объяснении трения в атомном масштабе были достигнуты большие успехи. Исследователи обнаруживают, что атомная природа трения, по-видимому, имеет несколько фундаментальных характеристик. Эти характеристики не только объясняют некоторые из более простых аспектов трения — они также содержат потенциал для развития среды, почти свободной от трения, которая могла бы сэкономить сотни миллиардов долларов энергии, которая в настоящее время преобразуется (без необходимости) в тепло.

(рисунок) иллюстрирует одну макроскопическую характеристику трения, которая объясняется микроскопическими (мелкомасштабными) исследованиями. Мы отметили, что трение пропорционально нормальной силе, но не площади соприкосновения, что несколько противоречит здравому смыслу. Когда две шероховатые поверхности соприкасаются, фактическая площадь контакта составляет крошечную долю от общей площади, потому что соприкасаются только высокие точки. Когда прикладывается большая нормальная сила, фактическая площадь контакта увеличивается, и мы обнаруживаем, что трение пропорционально этой площади.

Однако представление в атомном масштабе обещает объяснить гораздо больше, чем более простые особенности трения. Механизм генерации тепла сейчас определяется. Другими словами, почему при трении поверхности нагреваются? По сути, атомы связаны друг с другом, образуя решетки.Когда поверхности трутся, поверхностные атомы прилипают и заставляют атомные решетки вибрировать, по сути создавая звуковые волны, проникающие в материал. Звуковые волны уменьшаются с расстоянием, и их энергия преобразуется в тепло. Химические реакции, связанные с трением, также могут происходить между атомами и молекулами на поверхностях. (Рисунок) показывает, как кончик зонда, проведенный по другому материалу, деформируется трением атомного масштаба. Можно измерить силу, необходимую для перетаскивания наконечника, и оказалось, что она связана с напряжением сдвига , которое обсуждается в разделе «Статическое равновесие и упругость».Разница в напряжении сдвига значительна (более чем в

) и трудно предсказать теоретически, но напряжение сдвига дает фундаментальное понимание крупномасштабного явления, известного с древних времен — трения.

Пример

Блоки скольжения

Два блока на (Рис.) Прикреплены друг к другу безмассовой струной, которая обернута вокруг шкива без трения. Когда нижний блок массой 4 кг тянется влево постоянной силой

верхний блок весом 2,00 кг скользит по нему вправо. Найдите величину силы, необходимой для перемещения блоков с постоянной скоростью. Предположим, что коэффициент кинетического трения между всеми поверхностями равен 0.400.

Стратегия

Мы анализируем движения двух блоков по отдельности. На верхний блок действует контактная сила со стороны нижнего блока. Составляющими этой силы являются нормальная сила

и сила трения

Прочие силы на верхнем блоке — это натяжение

в тетиве и вес самого верхнего блока, 19.6 Н. Нижний блок подвергается контактным силам со стороны верхнего блока и пола. Первое контактное усилие имеет составляющие

и

, которые представляют собой просто силы реакции на контактные силы, которые нижний блок оказывает на верхний блок. Составляющие силы контакта пола

и

Другие силы на этом блоке

напряжение

и массой –39.2 Н.

Решение

Поскольку верхний блок движется горизонтально вправо с постоянной скоростью, его ускорение равно нулю как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Из второго закона Ньютона,

Решая две неизвестные, получаем

и

Нижний блок также не ускоряется, поэтому применение второго закона Ньютона к этому блоку дает

Значения

и T были найдены с помощью первой системы уравнений.Когда эти значения подставляются во вторую систему уравнений, мы можем определить

и P . Их

Значение

Часто бывает сложно понять, в каком направлении рисовать силу трения. Обратите внимание, что каждая сила трения, обозначенная на (Рисунок), действует в направлении, противоположном движению соответствующего блока.

Пример

Ящик на грузовике-ускорителе

А 50.Ящик 0 кг стоит на платформе грузовика, как показано на (Рисунок). Коэффициенты трения между поверхностями

и

Найдите силу трения обрешетки, когда грузовик ускоряется вперед относительно земли: (a) 2,00 м / с ² и (b) 5,00 м / с ² .

Стратегия

Силы, действующие на ящик, — это его вес, а также нормальные силы и силы трения, возникающие при контакте с кузовом грузовика. Начнем с , предполагая, что ящик не скользит. В этом случае сила трения покоя

действует на обрешетку. Кроме того, ускорения ящика и грузовика одинаковы.

Решение

1. Применение второго закона Ньютона к ящику с использованием системы отсчета, прикрепленной к земле, дает

   Теперь мы можем проверить справедливость нашего предположения об отсутствии проскальзывания.Максимальное значение силы статического трения

   , тогда как фактическая сила статического трения , которая действует, когда грузовик ускоряется вперед на

   — это всего лишь

   Таким образом, предположение об отсутствии проскальзывания действительно.

2. Если ящик должен двигаться вместе с грузовиком при ускорении на

   сила трения покоя должна быть

   Поскольку это превышает максимальное значение 196 Н, ящик должен соскользнуть.Таким образом, сила трения кинетическая и составляет

   Горизонтальное ускорение ящика относительно земли теперь находится от

Значение

Относительно земли грузовик ускоряется вперед на отметке

и ящик ускоряется вперед на

. Следовательно, ящик скользит назад относительно платформы грузовика с ускорением

Пример

Сноуборд

Ранее мы проанализировали ситуацию, когда горнолыжник движется с постоянной скоростью, чтобы определить коэффициент кинетического трения.Теперь давайте проведем аналогичный анализ, чтобы определить ускорение. Сноубордист на (Рис.) Скользит по склону с уклоном

к горизонтали. Коэффициент кинетического трения между доской и снегом составляет

Какое ускорение у сноубордиста?

Стратегия

Силы, действующие на сноубордистку, — это ее вес и сила контакта на склоне, которая имеет составляющую, перпендикулярную склоне, и составляющую вдоль склона (сила кинетического трения).Поскольку она движется по склону, наиболее удобной системой отсчета для анализа ее движения является система с осью x вдоль и осью y , перпендикулярной наклонной плоскости. В этом кадре и нормальная сила, и сила трения лежат по координатным осям, составляющие веса

, а единственное ускорение — по оси x —

Решение

Теперь мы можем применить второй закон Ньютона к сноубордисту:

Из второго уравнения

Подставив это в первое уравнение, находим

Значение

Обратите внимание на это уравнение, что если

достаточно маленький или

достаточно большой,

отрицательный, то есть сноубордист тормозит.

Проверьте свое понимание

Сноубордист спускается с горки с уклоном

. Какое ускорение у лыжника?

[показывать-ответ q = ”fs-id1165037850930 ″] Показать решение [/ показывать-ответ]

[скрытый-ответ a = ”fs-id1165037850930 ″]

; отрицательный знак означает, что сноубордист сбавляет скорость.
[/ hidden-answer]

6.2 Трение — Университетская физика, том 1

6.2 Трение

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Опишите общие характеристики трения
• Перечислите различные типы трения
• Рассчитайте величину статического и кинетического трения и используйте их в задачах, связанных с законами движения Ньютона.

Когда тело находится в движении, оно имеет сопротивление, потому что оно взаимодействует с окружающей средой. Это сопротивление представляет собой силу трения.Трение противодействует относительному движению между контактирующими системами, но также позволяет нам двигаться — концепция, которая становится очевидной, если вы пытаетесь ходить по льду. Трение — обычная, но сложная сила, и ее поведение до сих пор полностью не изучено. Тем не менее, можно понять обстоятельства, в которых он ведет себя.

Статическое и кинетическое трение

Основное определение трения относительно просто сформулировать.

Трение

Трение — это сила, которая препятствует относительному движению между контактирующими системами.

Существует несколько форм трения. Одна из более простых характеристик трения скольжения состоит в том, что оно параллельно контактным поверхностям между системами и всегда находится в направлении, противоположном движению или попытке движения систем относительно друг друга. Если две системы находятся в контакте и движутся относительно друг друга, то трение между ними называется кинетическим трением. Например, трение замедляет скольжение хоккейной шайбы по льду. Когда объекты неподвижны, между ними может действовать статическое трение; статическое трение обычно больше кинетического трения между двумя объектами.

Статическое и кинетическое трение

Если две системы находятся в контакте и неподвижны относительно друг друга, то трение между ними называется трением покоя. Если две системы находятся в контакте и движутся относительно друг друга, то трение между ними называется кинетическим трением.

Представьте, например, что вы пытаетесь сдвинуть тяжелый ящик по бетонному полу — вы можете очень сильно надавить на ящик и вообще не сдвинуть его. Это означает, что статическое трение реагирует на ваши действия — оно увеличивается, чтобы быть равным вашему толчку и в противоположном ему направлении.Если вы, наконец, достаточно сильно надавите, ящик, кажется, внезапно соскользнет и начнет двигаться. Теперь статическое трение уступает место кинетическому трению. Находясь в движении, легче удерживать его в движении, чем начать, что указывает на то, что кинетическая сила трения меньше, чем сила статического трения. Если вы добавите массу в ящик, скажем, поставив на него коробку, вам нужно будет еще сильнее толкнуть его, чтобы он завелся, а также чтобы он продолжал двигаться. Кроме того, если вы смазываете бетон, вам будет легче запустить ящик и продолжать его работу (как и следовало ожидать).

Рисунок 6.10 представляет собой грубое графическое представление того, как возникает трение на границе раздела двух объектов. Осмотр этих поверхностей крупным планом показывает, что они шероховатые. Таким образом, когда вы нажимаете, чтобы заставить объект двигаться (в данном случае ящик), вы должны поднимать объект до тех пор, пока он не сможет проскочить, ударяясь только кончиками поверхности, отламывая точки или и то и другое. Существенной силе можно противостоять трением без видимого движения. Чем сильнее прижимаются поверхности друг к другу (например, если на ящик ставится еще одна коробка), тем больше силы требуется для их перемещения.Частично трение происходит из-за сил сцепления между поверхностными молекулами двух объектов, что объясняет зависимость трения от природы веществ. Например, обувь на резиновой подошве скользит меньше, чем на кожаной. Адгезия зависит от контактирующих веществ и представляет собой сложный аспект физики поверхности. Когда объект движется, остается меньше точек соприкосновения (меньше прилипающих молекул), поэтому требуется меньшая сила, чтобы удерживать объект в движении. На малых, но ненулевых скоростях трение практически не зависит от скорости.

Величина силы трения имеет две формы: одна для статических ситуаций (статическое трение), другая для ситуаций, связанных с движением (кинетическое трение). Далее следует лишь приблизительная эмпирическая (экспериментально определенная) модель.Эти уравнения статического и кинетического трения не являются векторными уравнениями.

Величина статического трения

Величина статического трения fsfs составляет

, где мксек — коэффициент трения покоя, а N — величина нормальной силы.

Символ ≤≤ означает, что меньше или равно , что означает, что статическое трение может иметь максимальное значение мксН.мксН. Статическое трение — это сила реакции, которая увеличивается, чтобы быть равной и противоположной любой приложенной силе, вплоть до своего максимального предела.Как только приложенная сила превышает

fs (max), fs (max), объект перемещается. Таким образом,

Величина кинетического трения

Величина кинетического трения fkfk определяется как

где μkμk — коэффициент кинетического трения.

Система, в которой fk = μkNfk = μkN, описывается как система, в которой трение ведет себя просто . Переход от статического трения к кинетическому трению показан на рисунке 6.11.

Как видно из Таблицы 6.1, коэффициенты кинетического трения меньше, чем у их статических аналогов. Приблизительные значения μμ состоят из одной или двух цифр, чтобы указать приблизительное описание трения, даваемое двумя предыдущими уравнениями.

Таблица 6.1 Приблизительные коэффициенты статического и кинетического трения.

Уравнение 6.1 и 6.2 включают зависимость трения от материалов и нормальной силы. Направление трения всегда противоположно направлению движения, параллельно поверхности между объектами и перпендикулярно нормальной силе. Например, если ящик, который вы пытаетесь толкнуть (с силой, параллельной полу), имеет массу 100 кг, то нормальная сила равна его весу,

перпендикулярно полу. Если коэффициент трения покоя равен 0,45, вам придется приложить силу, параллельную полу, более

, чтобы переместить ящик. Когда есть движение, трение меньше, и коэффициент кинетического трения может быть 0,30, так что сила только

поддерживает его движение с постоянной скоростью. Если пол смазан, оба коэффициента будут значительно меньше, чем без смазки.Коэффициент трения — это безразмерная величина с величиной обычно от 0 до 1,0. Фактическое значение зависит от двух соприкасающихся поверхностей.

Многие люди испытывали скользкость при ходьбе по льду. Однако многие части тела, особенно суставы, имеют гораздо меньшие коэффициенты трения — часто в три или четыре раза меньше, чем у льда. Сустав образован концами двух костей, которые соединены толстыми тканями. Коленный сустав образован костью голени (большеберцовая кость) и бедренной костью (бедренная кость).Бедро представляет собой шарообразный (на конце бедренной кости) и суставную впадину (часть таза). Концы костей в суставе покрыты хрящом, который обеспечивает гладкую, почти стеклянную поверхность. Суставы также производят жидкость (синовиальную жидкость), которая снижает трение и износ. Поврежденный или артритный сустав можно заменить искусственным суставом (рис. 6.12). Эти заменители могут быть изготовлены из металла (нержавеющая сталь или титан) или пластика (полиэтилен), также с очень малым коэффициентом трения.

Фигура 6,12 Замена искусственного колена — это процедура, которая проводится более 20 лет. Эти послеоперационные рентгеновские снимки показывают замену правого коленного сустава. (кредит: модификация работы Майка Бэрда)

Натуральные лубриканты включают слюну, вырабатываемую во рту, чтобы помочь в процессе глотания, и скользкую слизь, находящуюся между органами в теле, позволяющую им свободно перемещаться друг мимо друга во время сердечных сокращений, во время дыхания и при движении человека.Больницы и врачебные клиники обычно используют искусственные смазки, такие как гели, для уменьшения трения.

Уравнения статического и кинетического трения представляют собой эмпирические законы, описывающие поведение сил трения. Хотя эти формулы очень полезны для практических целей, они не имеют статуса математических утверждений, которые представляют общие принципы (например, второй закон Ньютона). Фактически, есть случаи, когда эти уравнения даже не являются хорошими приближениями.Например, ни одна из формул не является точной для смазанных поверхностей или для двух поверхностей, пересекающих друг друга на высоких скоростях. Если не указано иное, мы не будем касаться этих исключений.

Пример 6.10

Статическое и кинетическое трение

Стратегия

Решение

Здесь мы используем символ f для обозначения силы трения, поскольку мы еще не определили, подвержен ли ящик трению станции или кинетическому трению. Мы делаем это всякий раз, когда не уверены, какой тип трения действует. Теперь вес ящика

, что также равно N . Таким образом, максимальная сила трения покоя составляет (0,700) (196 Н) = 137 Н. (0,700) (196 Н) = 137 Н.Пока P → P → меньше 137 Н, сила статического трения удерживает ящик в неподвижном состоянии и fs = P → .fs = P →. Таким образом, (a) fs = 20.0N, fs = 20.0N, (b) fs = 30.0N, fs = 30.0N и (c) fs = 120.0N.fs = 120.0N.

(d) Если P → = 180,0 Н, P → = 180,0 Н, приложенная сила больше максимальной силы статического трения (137 Н), поэтому ящик больше не может оставаться в покое. Когда ящик находится в движении, действует кинетическое трение. Тогда

и ускорение

Значение

Проверьте свое понимание 6,7

Блок массы 1.0 кг лежит на горизонтальной поверхности. Коэффициенты трения для блока и поверхности составляют μs = 0,50 μs = 0,50 и μk = 0,40.μk = 0,40. а) Какая минимальная горизонтальная сила требуется для перемещения блока? (б) Каково ускорение блока при приложении этой силы?

Трение и наклонная плоскость

Одна из ситуаций, в которой трение играет очевидную роль, — это объект на склоне. Это может быть ящик, который поднимают по пандусу к погрузочной платформе, или скейтбордист, спускающийся с горы, но основная физика остается той же.Обычно мы обобщаем наклонную поверхность и называем ее наклонной плоскостью, но затем делаем вид, что поверхность плоская. Давайте посмотрим на пример анализа движения на наклонной плоскости с трением.

Пример 6,11

Скоростной спуск

Стратегия

У нас

Подставляя это в выражение для кинетического трения, получаем

, который теперь можно решить для коэффициента кинетического трения μk.мкк.

Решение

Подставляя известные значения в правую часть уравнения,

Значение

Мы обсуждали, что когда объект лежит на горизонтальной поверхности, нормальная сила, поддерживающая его, равна по величине его весу. Кроме того, простое трение всегда пропорционально нормальной силе. Когда объект находится не на горизонтальной поверхности, как в случае с наклонной плоскостью, мы должны найти силу, действующую на объект, которая направлена ​​перпендикулярно поверхности; это составляющая веса.

Теперь мы выведем полезное соотношение для расчета коэффициента трения на наклонной плоскости. Обратите внимание, что результат применим только к ситуациям, когда объект скользит по рампе с постоянной скоростью.

Объект скользит по наклонной плоскости с постоянной скоростью, если результирующая сила, действующая на объект, равна нулю. Мы можем использовать этот факт для измерения коэффициента кинетического трения между двумя объектами. Как показано в Примере 6.11, кинетическое трение на склоне равно fk = μkmgcosθfk = μkmgcosθ.Компонент веса вниз по склону равен mgsinθmgsinθ (см. Диаграмму свободного тела на рис. 6.14). Эти силы действуют в противоположных направлениях, поэтому, когда они имеют одинаковую величину, ускорение равно нулю. Записывая это,

Решая для μk, μk, находим, что

Поместите монету в книгу и наклоните ее, пока монета не будет скользить по книге с постоянной скоростью. Возможно, вам придется слегка постучать по книге, чтобы монета сдвинулась с места.Измерьте угол наклона относительно горизонтали и найдите μk.μk. Обратите внимание, что монета вообще не начинает скользить, пока не будет достигнут угол, превышающий θθ, поскольку коэффициент статического трения больше, чем коэффициент кинетического трения. Подумайте, как это может повлиять на значение μkμk и его неопределенность.

Объяснение трения в атомном масштабе

Наиболее простые аспекты трения, о которых до сих пор говорилось, — это его макроскопические (крупномасштабные) характеристики. За последние несколько десятилетий в объяснении трения в атомном масштабе были достигнуты большие успехи.Исследователи обнаруживают, что атомная природа трения, по-видимому, имеет несколько фундаментальных характеристик. Эти характеристики не только объясняют некоторые из более простых аспектов трения — они также содержат потенциал для развития среды, почти свободной от трения, которая могла бы сэкономить сотни миллиардов долларов энергии, которая в настоящее время преобразуется (без необходимости) в тепло.

Рисунок 6.15 иллюстрирует одну макроскопическую характеристику трения, которая объясняется микроскопическими (мелкомасштабными) исследованиями.Мы отметили, что трение пропорционально нормальной силе, но не площади соприкосновения, что несколько противоречит здравому смыслу. Когда две шероховатые поверхности соприкасаются, фактическая площадь контакта составляет крошечную долю от общей площади, потому что соприкасаются только высокие точки. Когда прикладывается большая нормальная сила, фактическая площадь контакта увеличивается, и мы обнаруживаем, что трение пропорционально этой площади.

Фигура 6,15 Две соприкасающиеся шероховатые поверхности имеют гораздо меньшую площадь фактического контакта, чем их общая площадь.Когда нормальная сила больше в результате большей приложенной силы, площадь фактического контакта увеличивается, как и трение.

Однако представление в атомном масштабе обещает объяснить гораздо больше, чем более простые особенности трения. Механизм генерации тепла сейчас определяется. Другими словами, почему при трении поверхности нагреваются? По сути, атомы связаны друг с другом, образуя решетки. Когда поверхности трутся, поверхностные атомы прилипают и заставляют атомные решетки вибрировать, по сути создавая звуковые волны, проникающие в материал.Звуковые волны уменьшаются с расстоянием, и их энергия преобразуется в тепло. Химические реакции, связанные с трением, также могут происходить между атомами и молекулами на поверхностях. На рис. 6.16 показано, как острие зонда, проведенного по другому материалу, деформируется трением атомного масштаба. Можно измерить силу, необходимую для перетаскивания наконечника, и оказалось, что она связана с напряжением сдвига, которое обсуждается в разделе «Статическое равновесие и упругость». Изменение напряжения сдвига замечательно (более чем в 1012 · 1012 раз) и его трудно предсказать теоретически, но напряжение сдвига дает фундаментальное понимание крупномасштабного явления, известного с древних времен — трения.

Фигура 6,16 Наконечник зонда деформируется вбок из-за силы трения, когда зонд волочится по поверхности. Измерения того, как сила изменяется для разных материалов, дают фундаментальное представление об атомной природе трения.

Пример 6,12

Блоки выдвижные

Фигура 6,17 (а) Каждый блок движется с постоянной скоростью. (б) Диаграммы свободного тела для блоков.

Стратегия

Решение

Решая для двух неизвестных, мы получаем N1 = 19,6NN1 = 19,6N и T = 0,40N1 = 7,84N.T = 0,40N1 = 7,84N. Нижний блок также не ускоряется, поэтому применение второго закона Ньютона к этому блоку дает

Значения N1N1 и T были найдены с помощью первой системы уравнений. Когда эти значения подставляются во вторую систему уравнений, мы можем определить N2N2 и P . Их

Значение

Пример 6,13

Ящик на грузовике-ускорителе

Фигура 6.18 (а) Ящик стоит на платформе грузовика, который ускоряется вперед. (б) Схема ящика со свободным телом.

Стратегия

Решение

1. Применение второго закона Ньютона к ящику с использованием системы отсчета, прикрепленной к земле, дает
   ∑Fx = max∑Fy = mayfs = (50.0 кг) (2,00 м / с2) N − 4,90 × 102N = (50,0 кг) (0) = 1,00 × 102NN = 4,90 × 102 Н.∑Fx = max∑Fy = mayfs = (50,0 кг) (2,00 м / с2) N -4,90 × 102N = (50,0 кг) (0) = 1,00 × 102NN = 4,90 × 102N. Теперь мы можем проверить справедливость нашего предположения об отсутствии проскальзывания. Максимальное значение силы статического трения —
   мксН = (0,400) (4,90 × 102 Н) = 196 Н, мксН = (0,400) (4,90 × 102 Н) = 196 Н, тогда как действительная сила статического трения , которая действует, когда грузовик ускоряется вперед со скоростью 2,00 м / с22,00 м / с2, составляет всего 1,00 × 102Н. 1,00 × 102Н. Таким образом, предположение об отсутствии проскальзывания остается в силе.
2. Если ящик должен двигаться вместе с грузовиком, когда он ускоряется со скоростью 5,0 м / с2,5,0 м / с2, сила статического трения должна составлять
   fs = макс = (50,0 кг) (5,00 м / с2) = 250 Н. fs = макс = (50,0 кг) (5,00 м / с2) = 250 Н. Поскольку это превышает максимальное значение 196 Н, обрешетка должна соскользнуть. Таким образом, сила трения кинетическая и равна
   . fk = μkN = (0,300) (4,90 × 102N) = 147N. fk = μkN = (0,300) (4,90 × 102N) = 147N. Горизонтальное ускорение ящика относительно земли теперь находится из
   . ∑Fx = max147N = (50,0 кг) топор, soax = 2.94 м / с2. Fx = max147N = (50,0 кг) топор, soax = 2,94 м / с2.

Значение

Пример 6,14

Сноуборд

Фигура 6,19 (а) Сноубордист спускается по склону с уклоном 13 ° к горизонтали. (б) Схема свободного тела сноубордиста.

Стратегия

Решение

Из второго уравнения N = mgcosθ.N = mgcosθ. Подставив это в первое уравнение, мы находим

Значение

Проверьте свое понимание 6,8

Сноубордист спускается с холма с уклоном 10,0 ° 10,0 °. Какое ускорение у лыжника?

: определение, коэффициент и уравнение (с примерами)

Обновлено 22 декабря 2020 г.

Автор: Эми Дусто

Статическое трение — это сила, которая должна быть преодолена , чтобы что-то заработало. Например, кто-то может толкнуть неподвижный объект, например, тяжелую кушетку, не двигаясь.Но если они будут настойчивее или заручиться помощью сильного друга, он преодолеет силу трения и двинется с места.

Пока кушетка неподвижна, сила трения покоя уравновешивает приложенную силу толчка . Следовательно, сила статического трения увеличивается линейно с приложенной силой, действующей в противоположном направлении , пока не достигнет максимального значения, и объект просто не начнет двигаться. После этого объект больше не испытывает сопротивления от статического трения, а от кинетического трения.

Статическое трение обычно является большей силой трения, чем кинетическое трение — сложнее начать толкать диван по полу, чем поддерживать его в движении.

Коэффициент статического трения

Статическое трение возникает в результате молекулярного взаимодействия между объектом и поверхностью, на которой он находится. Таким образом, разные поверхности обеспечивают разное статическое трение.

Коэффициент трения, описывающий эту разницу статического трения для разных поверхностей, равен μ _s . Его можно найти в таблице, подобной той, что указана в этой статье, или рассчитать экспериментально.

Уравнение статического трения

• F _с = сила трения покоя в ньютонах (Н)
• μ _с = коэффициент трения покоя (без единиц)
  
• F _N = нормальная сила между поверхностями в ньютонах (Н)

Максимальное статическое трение достигается, когда неравенство становится равенством, и в этот момент начинает действовать другая сила трения, когда объект начинает двигаться. двигаться.(Сила кинетического трения, или трения скольжения, имеет другой коэффициент, связанный с ней, который называется коэффициентом кинетического трения и обозначается μ _k .)

Пример расчета со статическим трением

Ребенок пытается Протолкните 10-килограммовую резиновую коробку горизонтально по резиновому полу. Коэффициент статического трения 1,16. Какую максимальную силу ребенок может использовать без движения коробки ?

[вставьте диаграмму свободного тела, показывающую приложенные силы трения, силы тяжести и нормальные силы на неподвижном кубе]

Во-первых, обратите внимание, что результирующая сила равна 0, и найдите нормальную силу поверхности на кубе.Поскольку ящик не движется, эта сила должна быть равна по величине гравитационной силе, действующей в противоположном направлении. Напомним, что F _g = mg , где F _g — сила тяжести, m — масса объекта и g — ускорение свободного падения. на земле.

F_N = F_g = 10 \ times 9,8 = 98 \ text {N}

Затем решите для F _s с помощью приведенного выше уравнения:

F_s = \ mu_s \ times F_N = 1.16 \ times 98 = 113.68 \ text {N}

Это максимальная сила статического трения, которая будет препятствовать движению коробки. Следовательно, это также максимальное количество силы, которое ребенок может применить без движения коробки.

Обратите внимание, что, пока ребенок прилагает любую силу , меньшую, чем максимальное значение статического трения , коробка по-прежнему не двигается!

Статическое трение на наклонных плоскостях

Статическое трение не только противодействует приложенным силам.Он предотвращает скольжение предметов с холмов или других наклонных поверхностей, сопротивляясь силе тяжести.

Для угла применяется то же уравнение, но тригонометрия необходима для разделения векторов силы на их горизонтальную и вертикальную составляющие.

Рассмотрим книгу весом 2 кг, лежащую на наклонной плоскости под углом 20 градусов. Чтобы книга оставалась неподвижной, силы , параллельные наклонной плоскости, должны быть уравновешены . Как видно из диаграммы, сила статического трения параллельна плоскости в направлении вверх; противодействующая направленная вниз сила исходит от силы тяжести — в этом случае только горизонтальная составляющая гравитационной силы уравновешивает статическое трение.

Нарисовав прямоугольный треугольник от силы тяжести, чтобы разрешить его компоненты, и выполнив небольшую геометрию, обнаружим, что угол в этом треугольнике равен углу наклона плоскости, горизонтальной составляющей тогда сила тяжести (составляющая, параллельная плоскости) равна:

F_ {g, x} = mg \ sin {\ theta} = 2 \ times 9.8 \ times \ sin {20} = 6.7 \ text {N}

Это должно быть равно силе статического трения, удерживающей книгу на месте.

Еще одно значение, которое можно найти в этом анализе, — это коэффициент статического трения. Нормальная сила составляет перпендикулярно поверхности, на которой лежит книга. Таким образом, эта сила должна быть уравновешена вертикальной составляющей силы тяжести:

F_ {g, y} = mg \ cos {\ theta} = 2 \ times 9.8 \ times \ cos {20} = 18.4 \ text {N}

Затем переформулируем уравнение статического трения:

\ mu_s = \ frac {F_s} {F_N} = \ frac {6.7} {18.4} = 0,364

Сила трения — определение, типы, формула, примеры и решенные проблемы

Сила трения — это сила, создаваемая двумя поверхностями, которые контактируют и скользят друг относительно друга.Эти силы в основном зависят от текстуры поверхности и количества силы, требующей их вместе. Угол и положение объекта влияют на величину силы трения.

Основная причина возникновения трения между объектами связана с силами притяжения, известными как адгезия, между точками соприкосновения поверхностей, которые всегда имеют незначительную неровность. Трение возникает из-за срезания этих «сплавленных» стыков и из-за воздействия неровностей более твердой поверхности на более мягкую поверхность.

Если объект прикладывают к объекту, сила трения будет равна весу объекта. Если объект прижимается к поверхности, сила трения увеличивается и становится больше, чем вес объекта. Полную силу трения, которую поверхность может приложить к объекту, можно легко измерить с помощью данной формулы:

F \ [_ {frict} \] = μ.F \ [_ {norm} \]

Два основных экспериментальных факта описывают 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 прямо пропорционально весу, прижимающему поверхности друг к другу. Если по столу протянуть груз из трех кирпичей, трение будет в три раза больше, чем если вытащить один кирпич. Таким образом, отношение трения F к нагрузке L одинаково. Это постоянное отношение называется коэффициентом трения и обычно обозначается греческой буквой мю (μ).

Математически μ = F / L. Поскольку трение и нагрузка рассчитываются 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 указывает на то, что сила, равная половине веса кирпичей, требуется только для преодоления трения и удержания кирпичей в движении. вперед с постоянной скоростью. Сила трения направлена ​​противоположно движению объекта.Поскольку до сих пор описанное трение возрастает между поверхностями при относительном движении, это называется кинетическим трением.

Типы сил трения

Трение — это сила, которая конкурирует с движением между любыми поверхностями, которые соприкасаются с основанием. Между твердыми поверхностями возникает статическое, кинетическое трение, трение скольжения и качения. Трение жидкости имеет место в жидкостях и газах. Все четыре типа трения описаны ниже:

1. Сухое трение

1. Статическое трение

2. Кинетическое трение

3. Трение качения

4. Трение скольжения

.Трение жидкости

Сухое трение

Сухое трение — это сила, которая конкурирует с одной твердой поверхностью, скользящей по другой твердой поверхности. Сухое трение всегда противостоит скользящим поверхностям друг относительно друга и может иметь эффект любого встречного движения или вызывать движение тел. Чаще всего для сухого трения используется кулоновское трение. Этот вид трения можно далее разделить на трение покоя и кинетическое трение. Эти два типа трения поясняются на диаграмме ниже.Сначала представьте коробку на поверхности. Толкающая сила прилагается параллельно к поверхности и медленно увеличивается. На коробку также действуют гравитационная сила, нормальная сила и сила трения.

(a) Статическое трение

Статическое трение возникает раньше, когда коробка проскальзывает и перемещается. В этой области сила трения будет равна по масштабу и противоположна по направлению самой толкающей силе. По мере того как степень толкающей силы увеличивается, увеличивается и сила трения.Если величина толкающей силы продолжает расти, в конце концов коробка начнет соскальзывать. Когда коробка начинает скользить, тип трения, препятствующего движению коробки, меняется с трения покоя на то, что называется кинетическим трением. Точка перед проскальзыванием ящика называется препятствующим движением. Это также можно принять за максимальную силу статического трения перед проскальзыванием. Сумма максимальной силы статического трения равна статическому коэффициенту трения, умноженному на нормальную силу, существующую между коробкой и поверхностью.Этот коэффициент трения — это свойство, которое зависит от обоих материалов, и его обычно можно найти в таблицах.

Примеры статического трения

Статическое трение действует на два соприкасающихся тела, то есть одно тело над другим. Давайте рассмотрим несколько примеров из реальной жизни:

• Во время ходьбы обратное движение наших ног оказывает давление на дорогу, поскольку другая нога идет вперед.

• Статическое трение возникает, когда две ткани скользят друг по другу.

(b) Кинетическое трение

Кинетическое трение возникает за пределами точки приближающегося движения, когда коробка скользит. При кинетическом трении величина силы трения, противоположной движению, будет такой же, как кинетический коэффициент трения, умноженный на нормальную силу между коробкой и поверхностью. Кинетический коэффициент трения также зависит от двух соприкасающихся предметов, но почти всегда будет меньше статического коэффициента трения.

(c) Трение качения

Трение качения возникает, когда колесо, шарик или цилиндр свободно катятся по поверхности, как в шариковых и роликовых подшипниках.Основная причина трения при качении, по-видимому, заключается в распределении энергии, участвующей в скручивании объектов. Если твердый шарик катится по ровной поверхности, он несколько набит, а на ровной поверхности в местах соприкосновения есть неровности. Упругий изгиб или сжатие, возникающие в передней части соприкасающейся детали, является препятствием движению, которое не полностью компенсируется, поскольку вещества возвращаются к типичной форме в задней части. Внутренние потери в двух веществах параллельны потерям, которые не позволяют мячу отскочить обратно на уровень, с которого он был выпущен.Коэффициенты трения скольжения обычно в 100–1000 раз больше, чем коэффициенты трения качения для соответствующих материалов.

Примеры трения качения

Трение качения — это один из типов кинетического или динамического трения, который вступает в силу, когда одно тело перекатывается по другому. Например, когда круглый диск, колесо, кольцо или сфера катится по поверхности, сила, противодействующая его движению, представляет собой трение качения.

Другие примеры:

• Баскетбольный мяч, катящийся по площадке, через некоторое время останавливается.

• Шина, катящаяся по дороге, или колеса скейтборда, катящиеся по дороге, — все это примеры трения качения.

• Форма, размер и вес — факторы, влияющие на движение транспортных средств; например, у 20-колесного большегрузного грузовика будет более высокое трение качения, чем у TATA Nano Car.

• Покраска стен малярными валиками.

d) Трение скольжения

Трение скольжения — это трение, которое действует на предметы, когда они скользят по поверхности.Трение скольжения слабее, чем трение покоя. Вот почему легче сдвинуть оборудование по полу после того, как вы начали двигаться, чем заставить его двигаться в первую очередь. Трение скольжения может быть ценным. Например, вы используете трение скольжения, когда пишете пером. «Острие» ручки легко скользит по бумаге, но трение между ручкой и бумагой достаточно, чтобы оставить след.

Примеры трения скольжения

Когда объект скользит по другому, в игру вступает противодействующая сила — трение скольжения.Иллюстративные примеры трения скольжения:

• Толкание газонного катка по траве.

• Трение рук друг о друга вызывает нагревание из-за трения скольжения.

• Открытие раздвижной двери / окна.

• Перетаскивание мышью по поверхности.

• Скользящий мел для рисования на полу.

• Скоростной гоночный автомобиль.

Мы должны знать, что трение покоя — это самая сильная сила трения, за которой следует трение скольжения, а трение качения — самое слабое.

Трение жидкости

Трение жидкости происходит между слоями жидкости, которые движутся друг напротив друга. Этот внутренний конфликт с потоком называется вязкостью. В повседневных терминах вязкость жидкости называется ее «толщиной».

Все жидкости обладают некоторым сопротивлением сдвигу и поэтому являются вязкими. Очень полезно использовать концепцию идеальной жидкости, не имеющей сопротивления сдвигу и, следовательно, не вязкой.

Примеры трения жидкости

• Во время плавания пловец испытывает противодействующую силу; эта сила и есть сила трения жидкости.

• Во время сосания напитка через трубочку возникает некоторое трение; это трение — трение жидкости.

• Во время прыжков с парашютом парашют замедляется из-за сопротивления воздуха.

• Полет бумажного самолетика.

Примеры гидравлического трения

Если между двумя тонкими стеклянными пластинами есть влажная поверхность, вы увидите, что пластины застревают, а нижняя пластина не падает, если вы держите только верхнюю.

Как рассчитать силу трения:

Рассчитайте силу трения по формуле:

F = μn

Где N — нормальная сила, а μ — коэффициент трения для ваших инструментов, независимо от того, неподвижны они или движутся . Нормальная сила эквивалентна весу объекта, поэтому это также можно записать как:

F = мкм

Заданное m — масса объекта, а g — ускорение свободного падения. Трение противодействует движению объекта.

Расчет силы трения:

Найдите нормальную силу.

«Нормальная» сила определяет силу, которую поверхность, на которую опирается объект, оказывает на объект. Для неподвижного объекта на плоской поверхности сила должна точно противодействовать силе гравитации, в противном случае объект двигался бы в соответствии с законами движения Ньютона. «Нормальная» сила (Н) — это сила, которая это делает.

Он постоянно действует перпендикулярно поверхности. Это означает, что на неровной поверхности нормальная сила все равно будет направлена ​​прямо от поверхности, в то время как сила тяжести будет направлена ​​прямо вниз.

Нормальную силу в большинстве случаев можно просто определить следующим образом:

N = mg

Здесь m обозначает массу объекта, а g обозначает ускорение свободного падения, которое составляет 9,8 м / с². Это просто соответствует «весу» объекта.

Для неровных поверхностей сила нормальной силы уменьшается, чем больше наклон поверхность, поэтому формула принимает следующий вид:

N = mg cos (θ)

Где θ представляет угол, к которому наклонена поверхность.

Для простых расчетов рассмотрим плоскую поверхность с лежащим на ней деревянным бруском весом 2 кг.Нормальная сила будет направлена ​​прямо вверх (чтобы выдержать вес блока), и вы должны измерить:

Н = 2 кг × 9,8 Н / кг = 19,6 Н

Найдите правильный коэффициент.

Коэффициент зависит от объекта и конкретной ситуации, с которой вы работаете. Если объект еще не движется по поверхности, вы используете этот коэффициент статического трения μstatic, но если он движется, вы используете коэффициент трения скольжения μslide.

Обычно коэффициент трения скольжения меньше коэффициента трения покоя.Другими словами, легче сдвинуть то, что уже движется, чем сдвинуть неподвижное.

Характер материала также влияет на коэффициент. Например, если ранее деревянный брусок находился на кирпичной поверхности, коэффициент был бы 0,6, а для чистой древесины он может быть где-то от 0,25 до 0,5. Статический коэффициент трения льда о лед составляет 0,1. Опять же, коэффициент скольжения уменьшается еще больше, до 0,03 для льда по льду и 0,2 для дерева по дереву.

Формула для силы трения состояний:

F = мкН

Например, рассмотрим деревянный брусок массой 2 кг на деревянном столе, который толкают с места.В этом случае вы можете использовать статический коэффициент с μ _static = от 0,25 до 0,5 для древесины. Принимая μ _{статическое} = 0,5, чтобы в полной мере использовать потенциальный эффект трения, и вспоминая N = 19,6 Н из предыдущего, сила составляет:

F = 0,5 × 19,6 Н = 9,8 Н

Помните, что трение предлагает только сила противодействует движению, поэтому, если вы начнете слегка толкать его и станете более твердым, сила трения возрастет до максимального значения, которое вы только что рассчитали.Физики иногда отмечают Fmax, чтобы прояснить этот момент.

Когда блок находится в движении, вы используете μslide = 0,2, в данном случае:

F _slide = μ _slide N

= 0,2 × 19,6 N = 3,92 Н

Проблемы с силой трения:

Задача 1 — К 6-килограммовому ящику прилагается усилие 50 Н. Если коэффициент трения 0, 3, рассчитать ускорение коробки?

Решение 1– F _{нормальное} = 60 Н — 40 Н = 20 Н

Сила трения — F _трение = µ.F _{нормальный} = 0, 3.20N = 6N

Чистая сила в диапазоне от –Y до Y = ноль,

Но в направлении –X + X чистая сила не равна нулю

F _net = ma

F _нетто = ma

F _x — F _трение = ma

F _x — F _трение = ma

30 Н — 6 Н = 6 a

a = 4 м / с²

Проблема 2 — Блок массой M = 10 кг помещается на поверхность, наклоненную под углом θ = 45 °.

Отметим, что μs = 0,5 — это коэффициент трения покоя между блоком и поверхностью.

Решение 2 — Минимальная сила, необходимая для остановки скольжения, — это минимальная сила, которая будет препятствовать скольжению блока вниз по склону.

F _мин = 10 г sin (45 °) — 10 г cos (45 °) x 0,5.

Максимальная сила, которая может быть приложена, не вызывая скольжения блока, — это максимальная сила, которая может быть приложена, не вызывая скольжения блока вверх по склону.

F _max = 10 г sin (45 °) + 10 г cos (45 °) x 0,5.

F _мин = 34,65 Н, F _макс = 103,94 Н

Скольжение — Физика тела: движение к метаболизму

Скольжение происходит, когда трение между ступнями и поверхностью ходьбы недостаточно велико для предотвращения скольжения задней ступни при отталкивании или скольжения передней ступни, когда она пытается замедлить поступательное движение вашего центра тяжести). Вместе нормальная сила и трение () создают силы, необходимые для поддержки тела и поддержания равновесия.Например, трение не дает костылям выскользнуть наружу, если они не держатся в вертикальном положении. Трение также необходимо для передвижения, такого как ходьба и бег, как мы узнаем в разделе «Передвижение».

Трение () — это сила, препятствующая скольжению поверхностей друг относительно друга. Потрите ладони вместе, сопротивление, которое вы чувствуете, — это трение. Дополняет нормальную силу, которая направлена ​​только перпендикулярно поверхностям, трение направлено только параллельно поверхностям. Две поверхности должны соприкасаться, чтобы возникло трение, поэтому вы не сможете получить трение без нормальной силы. Фактически сила трения пропорциональна нормальной силе.

Действия по подкреплению

Потрите ладони вместе. Теперь сильно сожмите ладони вместе и попытайтесь сдвинуть их одновременно.

Теперь нормальная сила больше, вызывая пропорциональное увеличение силы трения.

Кинетическое трение

Кинетическое трение () действует всякий раз, когда две поверхности скользят друг мимо друга, и обычно величина кинетического трения не зависит от относительной скорости между скользящими поверхностями. Если объект скользит, но нет другой силы, толкающей объект, чтобы удерживать его, то кинетическое трение в конечном итоге остановит скользящий объект. (Толкните объект, чтобы он скользнул по полу и в конце концов остановился.Это кинетическое трение в действии).

Статическое трение

В отличие от кинетического трения, трение покоя не имеет постоянного значения. Вместо этого регулируется статическое трение, предотвращающее скольжение поверхностей, но это возможно только до максимального значения. Если сила, необходимая для предотвращения скольжения, превышает максимальное значение статического трения, объект будет скользить, и кинетическое трение возьмет верх. Статическое трение больше кинетического. Следующий график зависимости силы от времени демонстрирует процесс «освобождения» от статического трения между двумя поверхностями.График был создан путем измерения силы, которую ученики прикладывали к коробке, стоящей на столе, путем натягивания веревки, привязанной к коробке.

Выберите моделирование трения из набора моделирования, чтобы увидеть, как ведет себя статическое и кинетическое трение.

Коэффициент трения

Теперь мы знаем, что сила трения пропорциональна нормальной силе и что существует два типа трения: статическое и кинетическое. Последняя концепция, влияющая на трение, — это шероховатость или, альтернативно, гладкость двух поверхностей. Коэффициент трения () — это безразмерное число, которое оценивает шероховатость и обычно определяется экспериментально.Сила статического трения больше, чем кинетическая сила трения, потому что больше, чем. Взгляните на приведенную ниже таблицу коэффициентов статического и кинетического трения. Вы можете найти больше значений в этой огромной таблице коэффициентов статического трения.

Обратите внимание, что в таблице всегда указаны две поверхности; у вас должны быть две поверхности, чтобы определить.Когда кто-то задает вопрос типа «что такое лед?» обычно они имеют в виду между льдом и льдом, но лучше не задавать таких вопросов и всегда ссылаться на две поверхности.

Расчет сил трения

Мы можем суммировать все, что мы узнали о трении, в двух уравнениях, которые связывают силы трения с коэффициентом трения для двух поверхностей и нормальной силой, действующей на поверхности:

Макс. статическое трение перед выпуском:

(1)

Кинетическое трение при движении:

(2)

Повседневный пример: проверка физических способностей пожарного

Кандидаты в пожарные должны пройти тест на физические способности (PAT), который включает перетаскивание манекена по полу.В PAT для города Линкольн Небраска указано, что кандидаты должны перетащить манекен в человеческом обличье весом 170 фунтов на 25 футов вокруг бочки, а затем обратно через начальную точку на общее расстояние 50 футов за шесть минут или меньше. Кандидаты могут тащить манекен только с помощью ремня безопасности, прикрепленного к манекену, и не могут нести манекен.

Испытание проводится на полированном бетонном полу. Коэффициент статического трения между хлопчатобумажной одеждой и полированным бетоном равен 0.5. Если кандидат тянет обвязку вертикально вверх с силой 70 фунтов , какую горизонтальную тяговую силу должен приложить кандидат, чтобы заставить манекен двигаться?

Манекен начинает работу в статическом равновесии, поэтому мы знаем, что результирующая сила должна быть равна нулю как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Во-первых, давайте проанализируем вертикальное направление: если кандидат тянет веревку вверх с силой 70 фунтов , тогда пол должен обеспечивать нормальную силу в 100 фунтов для поддержки манекена.

Теперь давайте проанализируем горизонтальное направление: статическое трение будет соответствовать любому горизонтальному натяжению кандидата, но в противоположном направлении, так что манекен остается в статическом равновесии до тех пор, пока сила статического трения не превысит максимальную силу статического трения. Это сила, которую кандидат должен применить, чтобы заставить манекен двигаться, так что давайте это выясним. У нас есть коэффициент трения, и мы уже нашли нормальную силу, поэтому мы готовы:

После того, как манекен начинает движение, возникает кинетическое трение, поэтому мы можем использовать его для расчета кинетической силы трения.Эта сила меньше максимальной силы статического трения, поэтому для удержания манекена в движении потребуется меньшее усилие, чем для его запуска.

Упражнения с подкреплением

Уравнения статического и кинетического трения представляют собой эмпирические модели, описывающие поведение сил трения. Хотя эти формулы очень полезны для практических целей, они не имеют статуса законов или принципов.Фактически, есть случаи, когда эти уравнения даже не являются хорошими приближениями. Например, ни одна из формул не является точной для поверхностей, которые хорошо смазаны или скользят на высоких скоростях. Если не указано иное, мы не будем касаться этих исключений.