Что такое сила трения: простое объяснение и формулы

1. Сила трения в повседневной жизни
2. Виды трения: примеры
3. Законы трения
4. Сила трения: формула/a>
5. Как найти силу опоры?/a>

Некоторые физические явления могут казаться слишком сложными для понимания, особенно если изучать их только с научной точки зрения. К списку терминов, часто вызывающих много вопросов, относят в частности силу трения. Специально для вас подготовили материал, в котором попытались простыми словами объяснить это явление. Итак, разберем от А до Я, что такое трение, и как мы можем сталкиваться с ним в повседневной жизни.

 

Физика считается одним из самых сложных предметов школьной программы. Одно дело изучить все формулы наизусть, однако пониматься в них – задача не из простых. Неудивительно, что большинство школьников и студентов высших учебных заведений нуждаются в дополнительных занятиях, чтобы усвоить учебный материал.

 

Если вы хотите улучшить свои знания по физике, рекомендуем не медлить и просто обратиться за помощью к репетитору.

Для этого воспользуйтесь сайтом БУКИ – супер удобной платформой для поиска преподавателей по любым предметам.

Сила трения в повседневной жизни

Еще на уроке физики в 7 классе мы изучили, что трение – это сила между двумя поверхностями, которые скользят или пытаются скользить друг на друге. Звучит немного сложновато, поэтому лучше объяснить на примере.

 

Что такое трение? В природе это физическое явление отвечает за множество процессов, которые мы наблюдаем каждый день. Мы ходим по земле, белки прыгают на ветках деревьев, вода точит камень, снежная лавина спускается с горы, машина едет по дороге – все это и есть сила трения.

Как действует трение?

Трение всегда действует в направлении, противоположном тому, в котором пытается двигаться объект. То есть трение всегда замедляет передвижение движущегося объекта. Величина трения зависит от материалов, из которых сделаны две поверхности. Чем шершавее поверхность, тем больше будет сила трения.

 

Хотя две контактирующие поверхности могут казаться очень гладкими, в микроскопическом масштабе они имеют много неровностей и впадин, которые приводят к трению. На практике невозможно создать предмет, имеющий совершенно гладкую поверхность.

 

Согласно Закону о сохранении энергии ни одна энергия в системе никогда не уничтожается. В большинстве случаев трение производит тепловую энергию, рассеиваемую через среду и сами предметы. Проверить утверждение, что трение производит тепло, достаточно просто. Попытайтесь быстро потереть руки. Вы почти сразу почувствуете, что они станут теплее ваших движений.

Трение – чрезвычайно полезная сила. Оно предотвращает скольжение нашей обуви по поверхности земли во время ходьбы, а также предотвращает скольжение автомобильных шин по дороге. Иногда мы хотим уменьшить силу трения. Например, мы используем масло, чтобы уменьшить трение между движущимися частями двигателя автомобиля, которые со временем могут выходить из строя из-за постоянного взаимодействия. Масло разделяет поверхность и может протекать между ними. Уменьшение трения означает, что движущиеся части автомобиля меньше изнашиваются и выделяется меньше тепла.

 

Читайте также: Как быстро выучить таблицу Менделеева?

Виды трения: примеры

Выделяют 3 вида трения: сила трения скольжения, сила трения покоя и сила трения качения. Расскажем о каждом из видов в упрощенном варианте, а также рассмотрим несколько простых примеров. 

 

Сила трения скольжения	Сила трения покоя	Сила трения качения
Это сила, возникающая при скольжении одного тела по поверхности другого.	Возникающая сила, когда пытаются сдвинуть одно из тел, препятствующее движению другого тела	Это сила, которая возникает, когда круглое тело катится по поверхности другого тела.
Пример: Катание на санках, которое обожают все детишки. Производители санок создают их таким образом, чтобы поверхность ножек имела практически идеальную гладкость и они быстро спускались со снежных горок.	Пример: Когда вам нужно передвинуть с одного места на другое тяжелый шкаф, диван или просто стул. Именно за такие процессы отвечает сила трения покоя. Сложность выполнения этих манипуляций состоит в том, что объект, который вы хотите сместить, находится в состоянии покоя, а вы пытаетесь сдвинуть его с помощью внешней силы.	Пример: Движение автомобиля по дороге. Благодаря колесам машина может двигаться по дороге с бешеной скоростью и малыми энергетическими затратами.

Законы трения

С понятием трения классически отождествляют закон Амонтова-Кулона. Хотя впервые о силе трения рассказывал еще Леонардо да Винчи. В 1519 году он сформулировал утверждение, согласно которому трение – это процесс, возникающий при контакте одного тела с поверхностью другого тела. При этом сила трения должна быть пропорциональна нагрузке, направленной против направления движения.

 

Уже в 1699 году Амонтов открыл модель Леонардо да Винчи, а Кулон окончательно обосновал ее в своих работах. Для определения силы трения ученые ввели понятие коэффициента трения – физической константы, благодаря которой можно определить силу трения для любых контактирующих между собой материалов в условиях трения.

 

Читайте также: Что такое фотосинтез?

Сила трения: формула

Формула силы трения обычно выглядит так:

 

Fтр = k*N

 

 

Где:

• Fтр – это обозначение силы трения в физике. 
• k – коэффициент трения. 
• N – это сила сопротивления.

 

Сила трения измеряется в Ньютонах (Н).

Как найти коэффициент трения?

Как мы говорили ранее, коэффициент трения – это постоянная величина. В некоторых формулах его могут обозначать не буквой k, а символом µ. Определять коэффициент по отдельности не нужно, стоит лишь узнать значение в специальной таблице, где каждый материал имеет соответствующий показатель.

 

Как найти силу опоры?

В отличие от коэффициента трения силу опоры нужно определять самостоятельно. Она имеет простую формулу:

 

N = m * g

 

• N – это обозначение силы опоры в физике.
• m – масса тела, действующего на поверхность другого тела.
• g – ускорение свободного падения. Величина g постоянна. Она равна 9,8 м/с2.

Формула силы тяги

Для расчета силы трения качения используют несколько иную формулу – силу тяги. Сила тяги считается главной движущей силой любого транспортного средства. Она появляется в районе контакта авто шины и дорожного покрытия.

 

Сила тяги – это сила, прикладывающаяся на неподвижную поверхность для поддержания тела в постоянном движении. Силу тяги обычно находят с помощью второго закона Ньютона, в котором говорится что: сумма сил, влияющих на движущееся тело, равна массе, умноженной на ускорение.

Чаще силу тяги находят с помощью общей формулы:

Ft – F

c = m * a

 

• Fт – сила тяги.
• Fс – сила сопротивления.
• m – масса тела.
• a – ускорение. 

 

Ошибочно утверждать, что физика – это простая наука, которая по силам каждому. Во многих случаях, чтобы действительно понять сложную тему по этому предмету, недостаточно просто послушать урок или лекцию. Следует уделять много времени теории, а также на практике проверять каждую формулу, закон или аксиому.

 

Индивидуальные занятия – один из лучших способов изучить непонятный предмет, в частности, физику. Если вам нужен репетитор, вы можете найти его на нашей платформе БУКИ. Мы собрали более 90 тысяч учителей в одном месте, чтобы вы могли выбрать специалиста в соответствии с вашими потребностями и пожеланиями.

 

Читайте также: Тренируем память: советы для взрослых и детей

Что такое сила трения в физике — определение, формула, виды

Содержание

• 1 Определение силы трения
• 2 В чём измеряется сила трения
• 3 Как измерить силу трения
• 4 Виды силы трения
• 5 Сила трения скольжения – определение и формула
• 6 Сила трения покоя – определение и формула
• 7 Сила трения качения – определение и формула
• 8 Каковы причины возникновения силы трения (качения и скольжения)
• 9 Модуль силы трения, формула
• 10 Может ли сила трения быть движущей силой
• 11 Задачи на силу трения
• 12 Примеры силы трения в природе

В статье простым и доступным языком раскрывается понятие силы трения, причины её возникновения и роль в жизни людей и животных. Кроме этого, показаны примеры базовых задач и простейшие формулы, необходимые для решения.

Определение силы трения

Каждый раз, когда соприкасающиеся тела или их части движутся относительно друг друга, возникает сила, стремящаяся это движение прекратить или хотя бы уменьшить. Подобное физическое явление называется силой трения, и направление её действия всегда противоположно движению.

Визуальное представление силы трения

ВАЖНО: трение может быть как внешним, так и внутренним. К первому типу относится любое противодействие перемещению двух и более тел, а ко второму – трение внутри одного сплошного объекта, например в газе или жидкости.

В чём измеряется сила трения

В международной системе единиц (СИ) сила трения, как и любая другая, измеряется в ньютонах (Н), которые являются производными единицами и определяются как отношение килограмма (кг) на отношение метра (м) к секунде в квадрате (с²), то есть Н = кг / (м/с²).

Интересный факт: до принятия СИ в 1960 году использовали абсолютную физическую систему единиц, и размерностью силы была дина. Так как 1 дин = 1 г / (см/с²), то дины и ньютоны отличаются на пять порядков, а именно: 1 дин = 10^-5 Н.

Как измерить силу трения

Для измерения механической силы обычно используют динамометр – прибор, ключевыми частями которого являются силовой элемент (в основном пружина) и отчётное звено (например, линейка).

Принцип действия примитивного пружинного динамометра прост: сила, действующая на прибор, сжимает или растягивает упругое звено (в зависимости от направления действия), а её величина регистрируется при помощи измерительной части.

Для того чтобы узнать величину силы трения, передающейся на деревянный брусок при его движении по столу, нужно прикрепить к объекту динамометр и потянуть за пружину в горизонтальной плоскости.

ВНИМАНИЕ: перемещать прибор нужно равномерно и с постоянной скоростью.

Сила трения и сила упругости

На исследуемую систему будут действовать две силы, одна из которых препятствует движению бруска (сила трения), а вторая противится деформации пружины (сила упругости).

СПРАВКА: в данном случае сила тяжести не учитывается, так как её направление перпендикулярно рабочей плоскости.

Вследствие того, что перемещение динамометра равномерное, силы уравновешивают друг друга и имеют одинаковое значение, а так как на измерительной шкале регистрируется сила упругости пружины, то указанная величина и есть искомая цифра.

Подобным опытом можно так же доказать, что сила трения зависит от массы бруска. Установив дополнительный груз и осуществив повторное исследование, легко заметить, что значение на линейке увеличилось.

Сила трения с грузом

Виды силы трения

В трибологии, разделе физики, изучающем взаимодействие контактирующих тел при их относительном движении, трение принято разделять на несколько видов.

Вид трения	Описание	Отличительная особенность
Сухое	Здесь соприкасающиеся объекты не разделены слоями, например смазкой или подобными материалами	На практике встречается очень редко
Граничное	В области, где предметы контактируют между собой, присутствуют слои различной природы, например окисная плёнка	Наиболее встречающийся вариант при скольжении
Вязкое (жидкостное)	Контактирующие тела разделены жидкостью, газом, смазкой или, возможно, порошком графита различной толщины	Обычно присутствует при качении, когда объекты опущены в жидкость
Эластогидродинамическое	Здесь существенную роль играет внутреннее трение, присутствующее в смазке	Возникает при увеличении относительной скорости

СПРАВКА: помимо указанных, выделяют ещё один вид трения – смешанное, при котором область контакта тел можно разделить на участки сухого и вязкого трения.

В зависимости от способа перемещения объектов относительно друг друга на них действует:

• сила трения скольжения;
• сила трения покоя;
• сила трения качения.

Сила трения скольжения – определение и формула

Данное явление имеет место при относительном движении соприкасающихся тел, придавая при этом объекту с большей скоростью отрицательное ускорение и уменьшая быстроту его перемещения.

Сила трения скольжения зависит от силы реакции области соприкосновения поверхностей, скорости смещения тел относительно друг друга и материалов контактирующих частей.

ВНИМАНИЕ: площадь соприкосновения не влияет на исследуемую величину.

Формула силы трения скольжения выражает прямо пропорциональную зависимость трения от нормальной реакции опоры N:

F_тр = — μ∙N,

Где μ – коэффициент трения (иногда обозначается как k), зависит от материала и степени обработки поверхности контакта. Значения указанной величины найдены эмпирически, и полученные данные, в зависимости от природы контактирующих тел, сведены в таблицу.

СПРАВКА: знак «минус» в формуле характеризует противонаправленность трения движению.

Внешние приложенные к телу силы не влияют на трение скольжения, что можно наблюдать на графике:

Здесь заштрихованная часть соответствует зоне силы трения покоя, величину которой необходимо превысить, чтобы предмет сдвинулся с места при воздействии на него внешних факторов. На графике отмечено, что максимальное значение трения покоя превышает силу трения скольжения, однако обычно их считают одинаковыми.

Сила трения покоя – определение и формула

Данное явление возникает между неподвижными, обязательно соприкасающимися объектами, препятствуя их относительному смещению.

Примерами этой силы может послужить взаимодействие гвоздя и стены, в которую он забит, или концы завязанного шнурка. Благодаря покою (сцеплению), действующему на подошву обуви, люди ходят по дороге без проскальзывания, а машины не буксуют на сухом асфальте.

Для того чтобы сдвинуть друг относительно друга два предмета, нужно преодолеть силу трения покоя, которую находят по формуле:

F_тр = — k₀∙N,

Где N – реакция опоры, k₀ – коэффициент трения покоя.

В 1779 французским физиком Кулоном была установлена зависимость, согласно которой, чем сильнее прижаты тела, тем сложнее преодолеть их сцепление.

ВАЖНО: материал и обработка соприкасающихся поверхностей также влияют на возможность возникновения относительного движения.

Сила трения качения – определение и формула

Данное явление возникает, когда контактирующие тела перекатывают относительно друг друга или в случае качения одного предмета, называемого катком, по поверхности второго.

ВНИМАНИЕ: величина рассматриваемой силы в несколько раз меньше скольжения, поэтому, например, тяжелые предметы проще переставить на поверхность с колёсами и только после этого передвигать.

Обычно для приблизительного расчёта силы трения качения применяют следующую формулу:

F_тр = k∙(N/r),

Где k – коэффициент трения качения, r – радиус катка.

СПРАВКА: величина k, в отличие от других коэффициентов в данной теме, имеет размерность длины.

Каковы причины возникновения силы трения (качения и скольжения)

Главная причина возникновения явлений, препятствующих перемещению тел, заключается в неоднородности и шероховатости контактирующих поверхностей. При движении объектов эти дефекты соприкасаются, что и приводит к эффекту торможения.

Помимо этого, причиной трения является существование взаимодействия между молекулами и атомами двух граничащих тел, которое вызывает взаимное притяжение.

Что касается процессов, снижающих скорость качения, то их появление также обуславливается природными деформациями поверхностей. Говоря простым языком, при движении катку требуется постоянно взбираться на небольшие горки, что приводит к замедлению.

Модуль силы трения, формула

Модуль любой величины – это всегда положительное число, следовательно модуль силы трения равен:

|F_тр | = μ∙N,

Где μ – коэффициент трения, N – реакция опоры или области контакта.

СПРАВКА: обычно рассчитывают модуль максимального воздействия, которое и показывает динамометр.

Может ли сила трения быть движущей силой

Несмотря на то что указанное явление обычно препятствует движению, в некоторых случаях силу трения можно считать движущей. Например, при рассмотрении пробуксовывающего колеса транспортного средства его скорость в точке касания к поверхности больше нуля. Поэтому сила трения, согласно своему свойству, будет действовать в направлении, обратном мгновенной скорости, что совпадёт с направлением скорости всего колеса. Следовательно, сила трения может являться движущей силой.

Задачи на силу трения

1. Для брусков, изображенных на рисунке, найти ускорения, учитывая, что нить, соединяющая их, нерастяжима.

1. Выяснить, сдвинется ли ящик, если прикладывать к нему указанное воздействие.

Примеры силы трения в природе

Изучаемое явление имеет огромное влияние на жизнедеятельность людей и животных. Благодаря силе трения человек может ходить, удерживать в руках предметы, а звери зацепляться за ветки деревьев. Именно существование сцепления держит огромные валуны на скалах и не позволяет им упасть, а растения тянутся к солнечному свету, скрепляясь с близстоящей опорой.

Кроме этого, и животные, и люди умеют избавляться от негативного воздействия торможения. Например, тела рыб покрыты слизью, чтобы уменьшить эффект трения о воду, а человек, особенно в технике, зачастую применяет различные смазывающие материалы.

Читайте также. Похожие записи.

• Закон Кулона: основной закон электростатики кратко и понятно
• Все законы Кирхгофа — формулы и определения первого и второго закона для тока и напряжения
• Закон Ома простыми словами — формулировка для участка и полной цепи
• Что такое трансформатор тока, принцип работы, типы, схемы
• Что такое транзистор Дарлингтона, конфигурации и применение
• Линейный соленоид

Поделитесь статьей:

comments powered by HyperComments

Трение (сила трения): определение, формула и примеры

Что такое трение

Трение или сила трения определяется как сила, которая сопротивляется движению объекта по поверхности. Объект может быть как неподвижным, так и движущимся относительно поверхности. Трение возникает там, где предмет соприкасается с поверхностью. Другими словами, она возникает между двумя поверхностями и, следовательно, является контактной силой.

Поверхности не идеально гладкие. Они состоят из бугров и неровностей. Когда две поверхности соприкасаются, эти выпуклости прилипают и блокируются, что затрудняет перемещение поверхностей. Из-за этого сопротивления движению трение рассматривается как сила.

Сила трения не является консервативной. Когда объект перемещается из одного положения в другое, преодолевая трение, энергия не сохраняется, так как часть ее теряется в виде тепла.

Трение

Типы трения

Существует два основных типа трения.

1. Статическое трение

Статическое трение возникает, когда объект неподвижен относительно поверхности. Если сила пытается сместить его, трение достаточно велико, чтобы удерживать объект на месте. Трение покоя увеличивается с приложенной силой, пока не достигнет максимального значения. Как только приложенная сила превышает это значение, объект начинает двигаться, и статическое трение прекращается.

Примеры

Примеры статического трения включают силу, которая

• сопротивляется скольжению человека при ходьбе и беге.
• тяжелый предмет от перемещения во время толкания или вытягивания.

2. Кинетическое трение

Кинетическое трение возникает при движении объекта относительно поверхности после того, как приложенная сила преодолевает трение покоя. Кинетическое трение может быть двух видов. Если предмет скользит по поверхности, то он испытывает трение скольжения . Если объект катится по поверхности, то он называется трением качения .

Примеры

Примеры кинетического трения включают силу, которая отвечает за

• занос автомобиля
• остановку лыжника

Типы трения Статическое и кинетическое Примеры трения

трение.

3. Жидкостное трение

Жидкостное трение возникает, когда объект движется в жидкости. Это также может происходить между двумя слоями жидкости, которые движутся друг относительно друга. Текучей средой может быть газ (например, воздух) или жидкость (например, вода). В некоторых жидкостях, таких как масло и вода, трение зависит от вязкости жидкости.

Примеры

Примеры жидкостного трения включают силу, которую испытывает

• пловец во время плавания в бассейне
• корабль, плывущий по океану

Характеристики силы трения

Вот некоторые факты и свойства силы трения сила.

• Препятствует относительному движению между объектом и поверхностью
• Уменьшает скорость объекта и вызывает его остановку
• Выполняет отрицательную работу
• Генерирует тепло в точке контакта
• Низкий для гладких поверхностей и высокий для шероховатых поверхностей (Влияние шероховатости поверхности изучалось многими исследователями на протяжении многих лет)

Законы трения

Сила трения подчиняется нескольким законы.

• Пропорционально нормальной нагрузке или нормальной силе
• Не зависит от площади контакта между поверхностями
• Зависит от характера контактирующих поверхностей
• Кинетическое трение не зависит от скорости движущегося объекта

Как найти силу трения

Силу трения можно найти, применяя законы трения и законы движения Ньютона.

Уравнение силы трения

В соответствии с законами трения сила трения F пропорциональна нормальной силе или нормальной нагрузке F _Н . Действие нормальной силы таково, что вместе с ней увеличивается трение. Этот закон можно представить в виде уравнения.

F ∝ F _N

Or, F = μ F _N

Symbol

Unit of frictional force: Newton or N

Dimensions силы трения: MLT ^-2

Это уравнение дает величину силы трения. Его направление противоположно приложенной силе. Константа пропорциональности μ называется коэффициентом трения или коэффициентом трения (КОФ). В отличие от других констант пропорциональности, она принимает постоянное значение и не имеет единиц измерения. Его значение зависит от двух контактирующих поверхностей.

Сила трения о горизонтальную поверхность

Предположим, что на столе лежит брусок массой м . К блоку приложена сила, которая пытается его сместить. Однако из-за трения блок остается неподвижным. Согласно третьему закону движения Ньютона сила, приложенная блоком к столу, равна силе, приложенной столом к ​​блоку, которая представляет собой силу трения покоя F _S .

F _S = мк _S F _N

Где

μ _S называется коэффициентом трения покоя.

Опять же, используя третий закон Ньютона, нормальная сила, действующая на блок со стороны стола, равна весу блока. Вес определяется как произведение массы м на ускорение свободного падения г .

F _N = мг

Следовательно,

F _S = μ _S mg

Теперь предположим, что приложенная сила F _A достаточно велика, чтобы сместить объект, который движется с ускорением a . Согласно второму закону Ньютона чистая сила, с которой он движется, равна

мА = F _A – F _K

Где F _K – кинетическая сила трения, которая, согласно трению законы, дается,

F _K = μ _K F _N

Or, F _K = μ _K mg

Where,

μ _K называется коэффициентом кинетического трения, который меньше коэффициента статического трения.

Усилие на блоке,

мА = F _А – мк _К мг

Следовательно, ускорение бруска равно

a = F _A /м – μ _K g

Работа, совершаемая силой трения водоизмещение d .

W = F _K d

Сила трения на наклонной плоскости

Предположим, что брусок неподвижен на наклонной плоскости, составляющей угол θ с горизонтом. Его вес мг можно разделить на два компонента: один параллельно поверхности, а другой перпендикулярно поверхности.

Перпендикулярный компонент: мг COS θ

из третьего закона Ньютона,

F _N = Mg COS θ

Из законов трения,

F _S = μ S _{= μ} = µ = µ S _{= μ} = μ = μ = μ = μ = μ = µ = μ = µ . cos θ

Параллельная составляющая: mg sin θ

Предположим, угол наклона увеличился, и блок начинает двигаться с ускорением и по клину.

Опять же, из законов трения,

F _K = μ _K MG COS θ

И, согласно второму закону движения Ньютона,

MA = MG SIN θ 99999 года —

мА = MG SIN θ 99999 года —

мА = MG SIN θ 9999. MA = MG SIN θ 9999. F _K

или, MA = MG SIN θ — μ _K MG COS θ

или, μ _K = (G SIN or, μ _K = (G SIN vd 9999999. θ . θ . θ r . cos θ

Если ускорение равно нулю, то

μ _с = sin θ / cos θ = tan θ

Приведенное выше уравнение можно использовать для расчета коэффициента трения.

Сила трения на наклонной плоскости

Факторы, влияющие на силу трения

Вот факторы, влияющие на силу трения.

• Характер поверхности: Гладкие поверхности имеют низкое трение, тогда как шероховатые поверхности имеют высокое трение. Шероховатую поверхность можно сделать гладкой путем полировки, чтобы уменьшить трение.
• Вес предмета: Из законов трения совершенно ясно, что чем массивнее предмет, тем выше сила трения.

Преимущества и недостатки силы трения

Преимущества

• Делает возможным движение по поверхности (например, ходьбу, бег, вождение автомобиля, катание на коньках и письмо)
• Предотвращает скольжение и скольжение (например, лестница может остаться на стену, и предметы могут скапливаться друг на друге)
• Позволяет транспортным средствам останавливаться с помощью тормозов
• Сохраняет тепло рук зимой при трении друг о друга
• Сжигает астероиды, когда они входят в атмосферу Земли толкать и тянуть тяжелые предметы
• Облегчает износ предметов (например, ластик изнашивается из-за трения, а детали машин изнашиваются из-за регулярного использования)
• Выделяет ненужное тепло (например, тормоза автомобиля нагреваются из-за непрерывной прокачки педали тормоза, а колеса нагреваются и дымят при вращении на снегу без движения автомобиля вперед)

Gravity vs.

Friction

Property	Gravitational Force	Frictional Force
Due to	Two objects with masses or between the Earth and an object	Две поверхности в относительном движении
Направление	Вдоль линии, соединяющей два тела	Против направления движения 9	Может быть увеличено или уменьшено Чем больше масса, тем выше сила.
Зависимость от веса	По определению, сила земного притяжения равна весу	Да. Чем выше вес, тем выше сила.
Contact or non-contact	Non-contact	Contact
Strength	Weak	Generally strong
Equation	F = GM 1 M 2 /D 2	F = μ MG COS θ
Пропорциональность. 0138 м 3 кг -1 с -2	μ, значение зависит от контактирующих поверхностей

Часто задаваемые вопросы

900 900 Какой прибор используется для измерения силы трения?

Ответ. Прибор, используемый для измерения силы трения, называется трибометром.

• Список литературы

Последний раз статья рецензировалась 17 февраля 2023 г.

Трение: определение, коэффициент, уравнение (с диаграммами и примерами)

В реальном мире трение окружает нас повсюду. Когда две поверхности каким-то образом взаимодействуют или толкают друг друга, некоторая механическая энергия преобразуется в другие формы, уменьшая количество энергии, остающееся для движения.

Хотя гладкие поверхности, как правило, испытывают меньшее трение, чем шероховатые поверхности, только в вакууме, где это не имеет значения, действительно отсутствует трение, хотя школьные учебники физики часто ссылаются на такие ситуации для упрощения расчетов.

Трение обычно препятствует движению. Представьте поезд, катящийся по рельсам, или блок, скользящий по полу. В мире без трения эти объекты продолжали бы свое движение бесконечно. Трение заставляет их замедляться и в конечном итоге останавливаться в отсутствие каких-либо других приложенных сил.

Спутники в космосе могут поддерживать свои орбиты с небольшим добавлением энергии благодаря почти идеальному космическому вакууму. Однако низкоорбитальные спутники часто сталкиваются с силами трения в виде сопротивления воздуха и требуют периодической перезагрузки для сохранения курса.

Определение трения

На микроскопическом уровне трение возникает, когда молекулы одной поверхности взаимодействуют с молекулами другой поверхности, когда эти поверхности соприкасаются и толкают друг друга. Это приводит к сопротивлению, когда один такой объект пытается двигаться, сохраняя контакт с другим объектом. Мы называем это сопротивление силой трения. Как и другие силы, это векторная величина, измеряемая в ньютонах.

Поскольку сила трения возникает в результате взаимодействия двух объектов, для определения направления, в котором она будет действовать на данный объект — и, следовательно, направления для его рисования на диаграмме свободного тела — требуется понимание этого взаимодействия. Третий закон Ньютона говорит нам, что если объект A прикладывает силу к объекту B, то объект B прикладывает к объекту A силу, равную по величине, но в противоположном направлении.0005

Итак, если объект A давит на объект B в том же направлении, что и объект A, сила трения будет действовать в направлении, противоположном направлению движения объекта A. (Обычно это имеет место при трении скольжения, обсуждаемом в следующем разделе.) Если, с другой стороны, объект A давит на объект B в направлении, противоположном направлению его движения, то сила трения в конечном итоге окажется равной в том же направлении, что и движение объекта А. (Это часто имеет место при трении покоя, которое также обсуждается в следующем разделе. )

Величина силы трения часто прямо пропорциональна нормальной силе или силе, прижимающей две поверхности друг к другу. Константа пропорциональности меняется в зависимости от соприкасающихся поверхностей. Например, вы можете ожидать меньшего трения, когда соприкасаются две «гладкие» поверхности, такие как глыба льда на замерзшем озере, и большее трение, когда соприкасаются две «шероховатые» поверхности.

Сила трения, как правило, не зависит от площади контакта между объектами и относительных скоростей двух поверхностей (за исключением случая сопротивления воздуха, который не рассматривается в этой статье)

Типы трения

Существует два основных типа трения: кинетическое трение и статическое трение. Возможно, вы также слышали о чем-то, называемом трением качения, но, как будет сказано далее в этом разделе, на самом деле это другое явление.

​ Сила кинетического трения ​, также известная как трение скольжения, представляет собой сопротивление, вызванное взаимодействием поверхностей, когда один объект скользит по другому, например, когда коробку толкают по полу. Кинетическое трение действует против направления движения. Это связано с тем, что скользящий объект давит на поверхность в том же направлении, в котором он скользит, поэтому поверхность прикладывает силу трения обратно к объекту в противоположном направлении.

​ Статическое трение ​ это сила трения между двумя поверхностями, которые толкают друг друга, но не скользят друг относительно друга. В случае, когда коробку толкают по полу, прежде чем коробка начнет скользить, человек должен толкать ее с возрастающей силой, в конечном итоге достаточно сильно, чтобы она двинулась. В то время как толкающая сила увеличивается от 0, сила статического трения также увеличивается, противодействуя толкающей силе, пока человек не приложит достаточно большую силу, чтобы преодолеть максимальную силу статического трения. В этот момент коробка начинает скользить, и начинает действовать кинетическое трение.

Однако статические силы трения также допускают определенные типы движения. Подумайте, что происходит, когда вы идете по полу. Когда вы делаете шаг, вы отталкиваетесь ногой от пола, а пол, в свою очередь, толкает вас вперед. Это происходит из-за статического трения между вашей ногой и полом, и в этом случае статическая сила трения направлена ​​в сторону вашего движения. Без статического трения, когда вы отталкиваетесь от пола, ваша нога просто скользила бы, и вы бы шли на месте!

​ Сопротивление качению ​ иногда называют трением качения, хотя это неправильное название, поскольку это потеря энергии из-за деформации контактирующих поверхностей при качении объекта, а не в результате попыток поверхностей скользить друг относительно друга . Это похоже на потерю энергии при отскоке мяча. Сопротивление качению обычно очень мало по сравнению со статическим и кинетическим трением. На самом деле, она вообще редко упоминается в учебниках по физике для колледжей и старших классов.

Сопротивление качению не следует путать со статическим и кинетическим воздействием трения на катящийся объект. Шина, например, может испытывать трение скольжения об ось при повороте, а также трение покоя, удерживающее шину от проскальзывания при качении (трение покоя в этом случае, как и у идущего человека, заканчивается действует вверх в направлении движения.)

Уравнение трения

Как упоминалось ранее, величина силы трения прямо пропорциональна величине нормальной силы, а константа пропорциональности зависит от рассматриваемых поверхностей . Напомним, что нормальная сила — это сила, перпендикулярная поверхности, которая противодействует любым другим силам, приложенным в этом направлении.

Константа пропорциональности представляет собой безразмерную величину, называемую коэффициентом трения , который зависит от шероховатости рассматриваемых поверхностей и обычно обозначается греческой буквой μ .

F_f = \mu F_N

• Это уравнение связывает только величину трения и нормальных сил. Они не указывают в том же направлении!

Обратите внимание, что μ не одно и то же для статического и кинетического трения. Коэффициент часто включает нижний индекс с ​ μ _k ​ относится к коэффициенту кинетического трения и ​ μ _s ​ относится к коэффициенту статического трения. Значения этих коэффициентов для различных материалов можно посмотреть в справочной таблице. Коэффициенты трения для некоторых распространенных поверхностей перечислены в следующей таблице.

905 905 9 0,104040451 Обувь на льду0005

  Коэффициенты трения  

Система	Статическое трение (мкс​)	Кинетическое трение (мкК)
Rubber on dry concrete	1	0.7
Rubber on wet concrete	0.7	0.5
Wood on wood	0,5	0,3
Вощеная древесина на мокром снегу	0. 1
Metal on wood	0.5	0.3
Steel on steel (dry)	0.6	0.3
Сталь на стали (промасленная)	0,05	0,03
5 Тефлон на стали 0 5   9045 0.04	0.04
Bone lubricated by synovial fluid	0.016	0. 015
Shoes on wood	0.9	0.7	0.1	0.03
Steel on ice	0.04	0.02

https://openstax.org/books/college-physics/pages /5-1-friction

Значения μ для сопротивления качению часто меньше 0,01, и это значительно меньше, поэтому вы можете видеть, что по сравнению с сопротивлением качению часто можно пренебречь.

При работе с трением покоя формулу силы часто записывают следующим образом:

F_f \leq \mu_s F_N

С неравенством, представляющим тот факт, что сила трения покоя никогда не может быть больше сил, противодействующих ей. Например, если вы пытаетесь толкнуть стул по полу, прежде чем стул начнет скользить, будет действовать статическое трение. Но его стоимость будет разной. Если вы приложите к стулу 0,5 Н, то стул будет испытывать 0,5 Н статического трения, чтобы противодействовать этому. Если вы нажимаете с силой 1,0 Н, то статическое трение становится равным 1,0 Н, и так далее, пока вы не нажмете с силой статического трения, превышающей максимальное значение, и стул не начнет скользить.

Примеры трения

​ Пример 1: ​ Какая сила должна быть приложена к металлическому бруску массой 50 кг, чтобы толкнуть его по деревянному полу с постоянной скоростью?

​ Решение: ​ Сначала мы рисуем диаграмму свободного тела, чтобы определить все силы, действующие на блок. У нас есть сила тяжести, действующая прямо вниз, нормальная сила, действующая вверх, толкающая сила, действующая вправо, и сила трения, действующая влево. Поскольку предполагается, что блок движется с постоянной скоростью, мы знаем, что сумма всех сил должна составлять 0,9.0005

Уравнения результирующей силы для этой установки следующие:

F_{netx} = F_{толчок} — F_f = 0\\ F_{nety} = F_N — F_g = 0 получаем:

F_N = F_g = mg = 50\times 9.8 = 490 \text{ N}

Используя этот результат в первом уравнении и находя неизвестную толкающую силу, мы получаем:

F_{push} = F_f = \mu_kF_N = 0,3\times 490 = 147\text{ N}

​ Пример 2: ​ Какой максимальный угол наклона может иметь пандус, прежде чем лежащий на нем 10-килограммовый ящик начнет скользить? С каким ускорением он будет скользить под этим углом? Предположим, μ _s ​ равно 0,3 и ​ μ _k ​ равно 0,2.

​ Решение: ​ Снова начнем с диаграммы свободного тела. Сила тяжести действует прямо вниз, нормальная сила действует перпендикулярно наклону, а сила трения действует вверх по пандусу.

••• Дана Чен | Наука

Для первой части задачи мы знаем, что результирующая сила должна быть равна 0, а максимальная сила трения покоя равна μ _с F _N ​.

Выберите систему координат, совмещенную с рампой, так, чтобы вниз по рампе была положительная ось x. Затем разбейте каждую силу на x- и y -компоненты и запишите суммарные уравнения силы:

F_{netx} = F_g\sin(\theta) — F_f = 0\\ F_{ nety} = F_N — F_g\cos(\theta) = 0

Затем подставьте μ _s F _N вместо трения и найдите F _N второе уравнение: 9{-1}(\mu_s)

Подстановка значения 0,3 для μ _s дает результат θ = 16,7 градуса.

Во второй части вопроса теперь используется кинетическое трение. Наша диаграмма свободного тела практически такая же. Единственное отличие состоит в том, что теперь мы знаем угол наклона, а результирующая сила не равна 0 в направлении x .