2.3 Силы трения

Силы трения возникают в результате взаимодействия движущихся и покоящихся тел, соприкасающихся друг с другом.

Различают внешнее (сухое) и внутреннее (вязкое) трение.

Внешнее сухое трение делится на:

• трение покоя;

• трение скольжения;

• трение качения.

Перечисленным видам внешнего трения соответствуют силы трения, покоя, скольжения, качения.

С

ила трения покоя действует между поверхно­стями взаи­мо­действую­щих тел, когда величина внеш­них сил недостаточна, чтобы вызвать их от­носи­тель­ное перемещение.

Если к телу, находящемуся в соприкосновении с другим телом, приложить возрастающую внешнюю силу ,параллельную плоскости соприкосновения (рис. 2.2.а), то при изменении от нуля до некоторого значения движение тела не возникает.

Тело начинает движение приFF_тр.max.

Максимальная сила трения покоя

, (2.7)

где – коэффициент трения покоя,N – модуль силы нормальной реакции опоры.

Коэффициент трения покоя можно определить экспериментально, нахождением тангенса угла наклона к горизонту поверхности, с которой начинает скатываться тело под действием его силы тяжести.

При F > происходит скольжение тел относительно друг друга с некоторой скоростью(рис. 2.2 б).

Сила трения скольжения направлена против скорости . Модуль силы трения скольжения при малых скоростях движения вычисляется в соответствии с законом Амонтона

, (2.8)

где – безразмерный коэффициент трения скольжения, зависящий от материала и состояния поверхности соприкасающихся тел, и всегда меньше.

Сила трения качения возникает тогда, когда тело, имеющее форму цилиндра или шара радиусом R, катится по поверхности опоры. Численное значение силы трения качения определяется в соответствии с законом Кулона

, (2.9)

где k [м] – коэффициент трения качения.

Задания для самоконтроля знаний.

1. Определить модуль равнодействующей силы действующих на вагон массой 10т спускающегося с горки с уклоном 5^ºи коэффициентом трения 5·10^-2.

2. Определить силу тяжести космического корабля массой 1т на высоте равной радиусу Земли.

3. Определить силу реакции опоры поверхности прямоугольного клина с катетами 3 и 5 см, если на ней лежит тело массой 10кг.

4. Найти коэффициент трения тела о поверхность, если оно начинает движение при ее угле наклона к горизонту равным 30º.

5. Определить силу трения качения пары колес массой 200 кг, радиусом 50 см, если коэффициент трения качения равен 5·10^-2м.

Лекция 5

Сила вязкого трениявозникает между слоями одного и того же сплошного тела (жидкости или газа). Сила вязкого трения за­висят от относительной скорости смещения отдельных слоев газа или жидкости друг относительно друга. Например, вязкое трение возникает при течении жидкости или газа по трубам со скоростью (рис. 2.3).

Скорость слоев жидкости уменьшается при приближении их к стенкам трубы. Отношение разности скоростей в двух близких слоях, расположенных на расстоянии, называется средним градиентом скорости.

В соответствии с уравнением Ньютона модуль средней силы вязкого трения

(2. 10)

где – коэффициент вязкости,S – площадь взаимодействующих слоев среды, расположенных на расстоянии ∆x друг от друга.

Коэффициент вязкости зависит от агрегатного состояния и температуры вещества.

Коэффициент вязкости

Вещество	Вода	Водяной пар	Машинное масло	Воздух
t0C	20	100	30	20
	1,0	0,013	200	0,018

Сила сопротивления возникает при движении твердых тел в жидкости или газе. Модуль силы сопротивления пропорционален плотности среды, площади поперечного сечения движущегося телаS и квадрату его скорости

, (2.11)

где[кг/м] – коэффициент сопротивления среды.

Тело, движущееся в среде испытывает действие силы вязкого трения (F_тр) и силы сопротивления (F_сопр). При небольших скоростях сила сопротивления меньше силы вязкого трения, а при больших – значительно превосходит ее (рис. 2.4).

При некотором значении скорости силыF_тр и F_сопр становятся равными по модулю.

Сила сопротивления среды зависит от формы движущегося тела. Форму тела, при которой сила сопротивления мала, называют обтекаемой. Ракетам, самолетам, автомобилям и другим машинам, движущимся с большими скоростями в воздухе или в воде, придают обтекаемую, каплеобразную форму

Подробные пояснения и примеры задач — Lambda Geeks

Сила трения — это сила сопротивления, действующая против направления движения объекта и возникающая, когда две поверхности трутся друг о друга.

Сила трения всегда направлена ​​против направления движения объекта. Это зависит от нормальной силы из-за массы и ускорения из-за силы тяжести объекта. В этой статье давайте посмотрим, как рассчитать силу трения без массы.

Что такое сила трения?

Сила трения – это сила сопротивления, возникающая при трении двух поверхностей.

Это следует из третьего закона движения Ньютона, сила трения — это сила, возникающая в соответствии с нормальной силой, действующей на поверхность, и зависит от коэффициента трения поверхности.

Если бы на поверхности не было коэффициента трения, то есть если бы поверхность была идеально гладкой, то коэффициент трения был бы равен нулю и предмет просто соскользнул бы.

Песок имеет большее трение, чем металлическая дорога; Изображение предоставлено: Pixabay

Как рассчитать силу трения?

Обычно силу трения можно рассчитать напрямую, зная нормальные силы, действующие на поверхность, подвергающуюся трению.

Если мы знаем коэффициент трения и нормальную силу, действующую на поверхность, то мы можем рассчитать силу трения по формуле f=µ Н.

Нормальная сила обусловлена ​​массой, а ускорение обусловлено тяжести объекта. Эта сила отвечает за количество силы трения, создаваемой на поверхности объекта, и за шероховатость обеих поверхностей, подвергающихся трению.

Давайте поймем, как мы можем рассчитать силу трения, просто зная нормальную силу, действующую на поверхность, решая простую задачу ниже.

Чему равна сила трения велосипеда массой 8,8 кг, ускоряющегося с нормальной силой на дороге, равной 30 Н и коэффициентом трения 1,2?

Дано: W=8,8 кг

N=30 N

µ = 1,2

Имеем,

f = µ N

f = 9 0,3 N 3 9006 N 30002 Сила трения о велосипед составляет 36 Н .

Теперь мы посмотрим, как шаг за шагом рассчитать силу трения без массы на простом примере.

Предположим, что водитель ведет машину по более крутому склону. Сила трения возникает из-за того, что шины трутся о металлическую дорогу. Как вычислить силу трения без массы?

Возникающая сила трения зависит от нормальной силы автомобиля из-за общей массы автомобиля и его ускорения под действием силы тяжести.

Нормальная сила, действующая на автомобиль

Нормальная сила, действующая на автомобиль, равна произведению массы на ускорение свободного падения.

N= мг

Вес автомобиля переносится назад в соответствии с центром тяжести автомобиля, выровненным в зависимости от положения и оси автомобиля. Сила трения и силы сопротивления воздуха действуют одновременно и противодействуют скорости автомобиля. Сопротивление воздуха очень мало по сравнению с силой трения.

Коэффициент трения

Коэффициент трения — это фактор, который дает нам представление о шероховатости или гладкости поверхности. Объект с шероховатой поверхностью имеет более высокое значение коэффициента трения по сравнению с гладкими поверхностями.

Коэффициент трения есть отношение силы трения к нормальной силе трение 0,4.

Сила трения на шинах

Сила трения на самом деле определяется как

f _k = µ Н

Где µ — коэффициент трения

Подставляя уравнение (1) в уравнение (2), мы get

f _k = µ mg

Замена агрегата массы в уравнении

Мы знаем, что плотность объекта равна отношению масс всех молекул, составляющих объем объекта, и равна определяется соотношением,

ϱ = m/v

Где ϱ — плотность объекта

M — масса объекта, а

V — объем объекта

Следовательно, мы можем переписать уравнение в виде m (3) плотность и объем объекта и коэффициент трения поверхности.

Представьте, что человек толкает ящик длиной, шириной и высотой 1 метр каждый. Плотность коробки 30кг/м ³ . Чему равна сила трения, если коэффициент трения равен 0,4?

Дано: ϱ = 30 кг/м ³

MU = 0,4

V = I*B*H

В = 1*1 = 1m ³

. уравнение f _k = mu ϱ v теперь мы можем найти силу трения.

f _k = 0,4 * 30 * 1 = 12 Н

Сила трения, возникающая при трении коробки о поверхность, имеет коэффициент трения 0,4, что составляет 12 Ньютонов.

Часто задаваемые вопросы

Какова сила трения на баллоне с газообразным гелием объемом 30 м ³ , прикрепленном к стене?

Плотность воздушного шара, наполненного гелием, составляет 0,1785 кг/м ³ .

Объем газа в баллоне V=30 м ³

Коэффициент трения mu = 0,4

f _k = mu ϱ v

f _k = 0,4 * 0,17 * 30 = 2,142 Н 2. 142 Н .

Какова сила трения велосипедных шин массой 7,8 кг, если коэффициент трения равен 0,8?

Дано: w=7,8 кг

mu = 0,8

Нормальная сила веса велосипеда равна

N = mg

N = 7.8 * 9.8 = 76.44

Hence the friction force on the tires of the bicycle is

f _k = mu N

f _k = 0.8 * 76.44 = 61.152 N

Сила трения шин составляет 61,152 Н .

Какие могли бы быть последствия, если бы не существовало силы трения?

Сила трения очень важна для поддержания импульса движущегося объекта или сопротивления движению или удержания объекта на месте.

Если бы не было силы трения, то мы могли бы легко соскальзывать при ходьбе, беге или любой деятельности, и в природе наблюдалось бы неконтролируемое движение.

Каковы недостатки силы трения?

Сила трения очень важна, чтобы избежать скольжения, в то же время у силы трения есть и некоторые недостатки.

Сила трения генерирует тепловую энергию и излучает ее в окружающую среду. Непрерывное трение между поверхностями также излучает энергию в виде огня из-за возбуждения ионов.

Видео-вопрос: Нахождение равнодействующей силы трения и нормальной реакции, действующей на тело, находящееся в равновесии

Стенограмма видео

Тело покоится на шероховатой горизонтальной плоскости. Коэффициент трения между телом и плоскостью равен 0,2, а предельная сила трения, действующая на тело, равна 80 ньютонов. Учитывая, что 𝑅 есть равнодействующая силы трения и нормальной силы реакции, найдите величину 𝑅.

С такими вопросами может быть действительно разумно начать с наброска того, что вы знаете. У нас есть тело, покоящееся на горизонтальной плоскости. Мы ничего не знаем о массе этого тела. Таким образом, мы можем определить массу как 𝑚, что означает, что сила, направленная вниз телом на плоскости, равна 𝑚𝑔, масса умножается на гравитацию. Тогда мы знаем, что существует нормальная сила реакции самолета на тело.

Это действует в обратном направлении. Теперь, как правило, мы можем определить, что это равно 𝑅. Но 𝑅 определяется как результирующая сила, поэтому мы определим ее равной 𝑁.

Поскольку плоскость шероховатая, мы знаем, что на тело будет действовать какая-то сила трения. Однако для того, чтобы существовала сила трения, мы также должны предположить, что существует сила, действующая в направлении, противоположном этому. Определим эту силу равной 𝐹, а силу трения равной 𝐹 sub 𝑟.

Теперь у нас есть формула, связывающая трение и нормальную силу реакции. Обычно мы определяем его как трение, равное 𝜇𝑅, где 𝜇 — коэффициент трения. В этом случае мы собираемся переопределить его как 𝜇𝑁, поскольку 𝑁 — это наша нормальная сила реакции. Нам сказали, что коэффициент трения равен 0,2, поэтому мы можем переписать это как трение, равное 0,2𝑁.

Нам также сказали, что предельная сила трения, действующая на тело, составляет 80 ньютонов. Это говорит нам о двух вещах. Мы можем переписать это уравнение, как 80 равно 0,2𝑁. И затем мы можем решить это, разделив на 0,2, чтобы получить 𝑁 равно 400 или 400 ньютонов. Это также говорит нам о том, что тело находится в состоянии движения, поэтому сила, направленная вперед, то есть 𝐹, также должна быть равна 80 ньютонам.

Итак, теперь мы знаем нормальную силу реакции и силу трения. Чтобы найти результирующую силу 𝑅, мы будем использовать треугольник сил. Этот силовой треугольник можно представить с помощью прямоугольного треугольника, поскольку мы знаем, что нормальная сила реакции и сила трения пересекаются в точке 9.0 градусов. Мы ищем результат. Вот такая длина треугольника. Итак, поскольку мы работаем с прямоугольным треугольником, мы можем использовать теорему Пифагора.

Теорема Пифагора говорит нам, что сумма квадратов двух более коротких сторон равна квадрату более длинной стороны. Помните, что длинная сторона – это гипотенуза. Это сторона, лежащая против прямого угла. Так вот, это сторона, которая равна 𝑅 или 𝑅 ньютонов. Итак, наше уравнение 80 в квадрате плюс 400 в квадрате равно 𝑅 в квадрате.