Сила трения качения: описание, формула

Трение — физическое явление, с которым человек борется с целью его уменьшения в любых вращающихся и скользящих частях механизмов, без которого, однако, невозможно движение ни одного из этих механизмов. В данной статье рассмотрим с точки зрения физики, что такое сила трения качения.

Какие виды сил трения существуют в природе?

В первую очередь рассмотрим, какое место трение качения занимает среди других сил трения. Эти силы возникают в результате контакта двух разных тел. Это могут быть тела твердые, жидкие или газообразные. Например, полет самолета в тропосфере сопровождается наличием трения между его корпусом и молекулами воздуха.

Рассматривая исключительно твердые тела, выделяют силы трения покоя, скольжения и качения. Каждый из нас замечал: чтобы сдвинуть с места коробок, находящийся на полу, необходимо вдоль поверхности пола приложить некоторую силу. Значение силы, которое выведет коробок из состояния покоя, будет по модулю равно силе трения покоя. Последняя действует между дном коробка и поверхностью пола.

Как только коробок начал свое движение, необходимо прилагать постоянную силу, чтобы сохранять это движение равномерным. Связан этот факт с тем, что между контактом пола и коробком на последний действует сила трения скольжения. Как правило, она на несколько десятков процентов меньше, чем трение покоя.

Если под коробок положить круглые цилиндры из твердого материала, то перемещать его станет гораздо легче. На вращающиеся в процессе движения цилиндры под коробком будет действовать сила трения качения. Она обычно намного меньше предыдущих двух сил. Именно поэтому изобретение человечеством колеса стало огромным скачком в сторону прогресса, ведь люди получили возможность перемещать гораздо большие грузы с помощью небольшой приложенной силы.

Физическая природа трения качения

Почему возникает сила трения качения? Этот вопрос является непростым. Для ответа на него следует детально рассмотреть, что происходит с колесом и поверхностью в процессе качения. В первую очередь они не являются идеально гладкими — ни поверхность колеса, ни поверхность, по которой оно катится. Тем не менее это не основная причина появления трения. Главной же причиной является деформация одного или обоих тел.

Любые тела, из какого бы твердого материала они ни состояли, деформируются. Чем больше вес тела, тем большее давление оно оказывает на поверхность, а значит, деформируется само в точке контакта и деформирует поверхность. Эта деформация в ряде случаев настолько мала, что не превышает предела упругости.

В процессе качения колеса деформированные участки после прекращения контакта с поверхностью восстанавливают исходную форму. Тем не менее эти деформации циклически повторяются с новым оборотом колеса. Любая циклическая деформация, даже если она лежит в пределе упругости, сопровождается гистерезисом. Иными словами, на микроскопическом уровне форма тела до и после деформации отличается. Гистерезис циклов деформации в процессе качения колеса приводит к «распылению» энергии, что проявляется на практике в виде появления силы трения качения.

Качение идеального тела

Под идеальным телом в данном случае имеется в виду то, что оно является недеформируемым. В случае идеального колеса площадь его контакта с поверхностью равна нулю (оно касается поверхности вдоль линии).

Охарактеризуем силы, которые действуют на недеформируемое колесо. Во-первых, это две вертикальные силы: вес тела P и сила реакции опоры N. Обе силы проходят через центр масс (ось колеса), поэтому в создании крутящего момента не принимают участия. Для них можно записать:

P = N

Во-вторых, это две горизонтальные силы: внешняя сила F, которая толкает колесо вперед (она проходит через центр масс), и сила трения качения f_r. Последняя создает крутящий момент M. Для них можно записать такие равенства:

M = f_r*r;

F = f_r

Здесь r — радиус колеса. Эти равенства содержат очень важный вывод. Если сила трения f_r будет бесконечно малой, то она все равно создаст крутящий момент, который приведет к движению колеса. Поскольку внешняя сила F равна величине f_r, то любое бесконечно малое значение F приведет к качению колеса. Это означает, что если тело качения является идеальным и не испытывает деформации в процессе движения, то ни о какой силе трения качения говорить не приходится.

Все существующие тела являются реальными, то есть испытывают деформацию.

Качение реального тела

Теперь рассмотрим описанную выше ситуацию только для случая реальных (деформируемых) тел. Площадь касания колеса и поверхности уже не будет равна нулю, она будет иметь некоторое конечное значение.

Проведем анализ сил. Начнем с действия вертикальных сил, то есть веса и реакции опоры. Они по-прежнему равны друг другу, то есть:

N = P

Однако сила N теперь действует вертикально вверх не через ось колеса, а несколько смещена от нее на расстояние d. Если представить площадь соприкосновения колеса с поверхностью в виде площади прямоугольника, то длиной этого прямоугольника будет толщина колеса, а ширина будет равна 2*d.

Теперь перейдем к рассмотрению горизонтальных сил. Внешняя сила F по-прежнему не создает момента вращения и равна силе трения f_r по абсолютной величине, то есть:

F = f_r.

Момент сил, приводящий к вращению, будет создавать трение f_r и реакцию опоры N. Причем эти моменты будут направлены в разные стороны. Соответствующее выражение имеет вид:

M = N*d — f_r*r

В случае равномерного движения момент M будет равен нулю, поэтому получаем:

N*d — f_r*r = 0 =>

f_r = d/r*N

Последнее равенство с учетом записанных выше формул можно переписать так:

F = d/r*P

По сути, мы получили главную для понимания силы трения качения формулу. Далее в статье проведем ее анализ.

Коэффициент сопротивления качению

Этот коэффициент уже был введен выше. Также было дано геометрическое его объяснение. Речь идет о величине d. Очевидно, что чем больше эта величина, тем больший момент создает сила реакции опоры, который препятствует движению колеса.

Коэффициент сопротивления качению d, в отличие от коэффициентов трения покоя и скольжения, — величина размерная. Измеряется он в единицах длины. В таблицах его приводят обычно в миллиметрах. Например, для колес поезда, катящихся по стальным рельсам, d = 0,5 мм. Величина d зависит от твердости двух материалов, от нагрузки на колесо, от температуры и некоторых других факторов.

Коэффициент трения качения

Не нужно его путать с предыдущим коэффициентом d. Коэффициент трения качения обозначают символом C_r и вычисляют по следующей формуле:

C_r = d/r

Это равенство означает, что величина C_r является безразмерной. Именно она приводится в ряде таблиц, содержащих информацию о рассматриваемом виде трения. Этот коэффициент удобно использовать для практических расчетов, поскольку он не предполагает знания радиуса колеса.

Величина C_r в подавляющем большинстве случаев меньше, чем коэффициенты трения и покоя. Например, для автомобильных шин, движущихся по асфальту, величина C_r находится в пределах нескольких сотых (0,01 — 0,06). Однако она значительно возрастает при движении спущенных колес по траве и по песку (≈0,4).

Анализ полученной формулы для силы fr

Запишем еще раз полученную выше формулу силы трения качения:

F = d/r*P = f_r

Из равенства следует, что чем больше диаметр колеса, тем меньшую силу F следует приложить, чтобы оно начало движение. Теперь запишем это равенство через коэффициент C_r, имеем:

f_r = C_r*P

Как видно, сила трения прямо пропорциональна весу тела. Кроме того, при значительном увеличении веса P изменяется сам коэффициент C_r (он возрастает в виду увеличения d). В большинстве практических случаев C_r лежит в пределах нескольких сотых. В свою очередь, значение коэффициента трения скольжения лежит в пределах нескольких десятых. Поскольку для сил трения качения и скольжения формулы одинаковые, то качение оказывается выгодным с энергетической точки зрения (сила f_r меньше на порядок силы скольжения в большинстве практических ситуаций).

Условие качения

Многие из нас встречались с проблемой проскальзывания колес автомобиля при движении по льду или по грязи. Почему это происходит? Ключ к ответу на этот вопрос лежит в соотношении абсолютных значений сил трения качения и покоя. Еще раз выпишем формулу для качения:

F ≥ C_r*P

Когда сила F будет больше или равна трению качения, тогда колесо начнет катиться. Однако если эта сила раньше превзойдет величину трения покоя, то раньше наступит проскальзывание колеса, чем его качение.

Таким образом, эффект проскальзывания определяется соотношением коэффициентов трения покоя и трения качения.

Способы противодействия проскальзыванию колеса автомобиля

Трение качения колеса автомобиля, находящегося на скользкой поверхности (например, на льду) характеризуется коэффициентом C_r = 0,01-0,06. Однако значения такого же порядка характерны для коэффициента трения покоя.

Чтобы избежать риска проскальзывания колеса, используют специальную «зимнюю» резину, в которую вкручены металлические шипы. Последние, врезаясь в ледяную поверхность, увеличивают коэффициент трения покоя.

Другой способ увеличение трения покоя заключается в модификации поверхности, по которой движется колесо. Например, с помощью посыпания ее песком или солью.

PhysBook:Электронный учебник физики — PhysBook

Содержание

• 1 Учебники
• 2 Механика
  • 2.1 Кинематика
  • 2.2 Динамика
  • 2.3 Законы сохранения
  • 2. 4 Статика
  • 2.5 Механические колебания и волны
• 3 Термодинамика и МКТ
  • 3.1 МКТ
  • 3.2 Термодинамика
• 4 Электродинамика
  • 4.1 Электростатика
  • 4.2 Электрический ток
  • 4.3 Магнетизм
  • 4.
    4 Электромагнитные колебания и волны
• 5 Оптика. СТО
  • 5.1 Геометрическая оптика
  • 5.2 Волновая оптика
  • 5.3 Фотометрия
  • 5.4 Квантовая оптика
  • 5.5 Излучение и спектры
  • 5.6 СТО
• 6 Атомная и ядерная
  • 6. 1 Атомная физика. Квантовая теория
  • 6.2 Ядерная физика
• 7 Общие темы
• 8 Новые страницы

Здесь размещена информация по школьной физике:

1. материалы из учебников, лекций, рефератов, журналов;
2. разработки уроков, тем;
3. flash-анимации, фотографии, рисунки различных физических процессов;
4. ссылки на другие сайты

и многое другое.

Каждый зарегистрированный пользователь сайта имеет возможность выкладывать свои материалы (см. справку), обсуждать уже созданные.

Учебники

Формулы по физике – 7 класс – 8 класс – 9 класс – 10 класс – 11 класс –

Механика

Кинематика

Основные понятия кинематики – Прямолинейное движение – Криволинейное движение – Движение в пространстве

Динамика

Законы Ньютона – Силы в механике – Движение под действием нескольких сил

Законы сохранения

Закон сохранения импульса – Закон сохранения энергии

Статика

Статика твердых тел – Динамика твердых тел – Гидростатика – Гидродинамика

Механические колебания и волны

Механические колебания – Механические волны

---

Термодинамика и МКТ

МКТ

Основы МКТ – Газовые законы – МКТ идеального газа

Термодинамика

Первый закон термодинамики – Второй закон термодинамики – Жидкость-газ – Поверхностное натяжение – Твердые тела – Тепловое расширение

---

Электродинамика

Электростатика

Электрическое поле и его параметры – Электроемкость

Электрический ток

Постоянный электрический ток – Электрический ток в металлах – Электрический ток в жидкостях – Электрический ток в газах – Электрический ток в вакууме – Электрический ток в полупроводниках

Магнетизм

Магнитное поле – Электромагнитная индукция

Электромагнитные колебания и волны

Электромагнитные колебания – Производство и передача электроэнергии – Электромагнитные волны

---

Оптика.

СТО

Геометрическая оптика

Прямолинейное распространение света. Отражение света – Преломление света – Линзы

Волновая оптика

Свет как электромагнитная волна – Интерференция света – Дифракция света

Фотометрия

Фотометрия

Квантовая оптика

Квантовая оптика

Излучение и спектры

Излучение и спектры

СТО

СТО

---

Атомная и ядерная

Атомная физика. Квантовая теория

Строение атома – Квантовая теория – Излучение атома

Ядерная физика

Атомное ядро – Радиоактивность – Ядерные реакции – Элементарные частицы

---

Общие темы

Измерения – Методы решения – Развитие науки- Статья- Как писать введение в реферате- Подготовка к ЕГЭ — Репетитор по физике

Новые страницы

Запрос не дал результатов.

NEET UG : Трение скольжения

Сила сопротивления, возникающая при скольжении двух тел друг относительно друга, называется трением скольжения. Это трение, также известное как кинетическое трение, описывается как сила, необходимая для того, чтобы одна поверхность катилась по другой. Он зависит от двух переменных: одна — это вещество объекта, а другая — его вес и размер. На трение скольжения не влияют изменения площади контактной поверхности. Трение скольжения значительно ниже, чем трение покоя в большинстве материалов.

Скольжение – это сила трения, вызванная вращательным движением дискообразного или любого другого круглого объекта вдоль поверхности, тогда как трение качения – это сила трения, вызванная вращательным движением дискообразного или любого другого круглого объекта вдоль поверхности. поверхность. Сила трения при трении качения часто существенно ниже, чем при кинетическом трении скольжения. Коэффициент трения качения обычно меньше коэффициента трения скольжения. С другой стороны, трение скольжения имеет тенденцию производить больше звуковых и тепловых побочных продуктов.

Трение скольжения Определение

Трение скольжения или кинетическое трение — это сила трения, которая предотвращает подлинное относительное скользящее движение между двумя контактными поверхностями. Начнем с базового понимания сил трения. Если на столе есть металлический блок, слабого усилия может быть недостаточно, чтобы сдвинуть металлический блок. Металлический блок начинает двигаться по мере того, как вы постепенно увеличиваете усилие, пока оно не достигнет определенной точки. Сила сопротивления, обеспечиваемая металлическим блоком в его статической форме, равна управляющей величине силы, при которой металлический блок начинает двигаться. Статическое трение — это название, данное этой силе сопротивления. Металлический блок перемещается при дальнейшем увеличении силы в эксперименте. Однако даже после того, как металлический блок начал двигаться, он продолжает оказывать сопротивление в попытке его остановить. Это называется трением скольжения». Трение скольжения явно меньше, чем трение покоя, исходя из того, что мы определили до сих пор.

Сила трения скольжения действует в направлении нормали к поверхности и прямо пропорциональна весу. Когда поверхность, по которой скользит тело, горизонтальна, нормальная сила равна весу тела.

 

Формула трения скольжения

Коэффициент трения скольжения, умноженный на нормальную силу, представляет собой уравнение для силы скольжения.

Fs = sFn

Где,

 

Fs — сила трения скольжения.

s = коэффициент трения скольжения

Fn обозначает нормальную силу.

Движение при трении скольжения

Второй закон Ньютона можно использовать для описания движения при трении скольжения (в основных системах движения)

∑F=ma

FE –FK=ma

FE обозначает внешнюю силу.

• Когда внешняя сила больше кинетической силы трения, возникает ускорение.

• Когда сила кинетического трения больше силы внешней силы, происходит замедление (или остановка).

• Поскольку на предмет действует результирующая сила, первый закон движения Ньютона также выполняется.

• Когда на предмет не действует результирующая сила, то есть когда внешняя сила равна силе кинетического трения, возникает постоянная скорость.

Движение по наклонной плоскости

Когда блок скользит вверх или вниз по наклонной плоскости, его можно использовать для демонстрации трения. На свободном графике ниже это показано.

Составляющая силы тяжести в направлении наклона представлена ​​как:

Fg=mg sin

Нормальная сила (перпендикулярная к поверхности) изображается следующим образом:

N=mg cos

2 As

3

Fk= k.mg cos

Чтобы рассчитать коэффициент кинетического трения на наклонной плоскости, заметьте, что момент, когда сила параллельна плоскости, равен моменту когда сила перпендикулярна; это происходит, когда объект движется с постоянной скоростью под углом.

Fg=mg sin

∑F=ma=0

Fk= Fg or= k.mg cos=mg sin

k=tan

 

Коэффициент трения скольжения 9 Понимание трения скольжения2 или создаваемые объектами, учитывает многочисленные аспекты, которые могут повлиять на уровень трения. Ниже приведены некоторые факторы, которые могут повлиять на трение скольжения:

• Деформация поверхности объекта.

• Шероховатость или гладкость поверхности.

• Скорость любого объекта в начале. Размеры и форма предмета.

• Количество сил, приложенных к объекту.

Коэффициент трения скольжения

. Сила трения F, наблюдаемая объектом, прямо пропорциональна нормальной силе N, действующей на этот объект, согласно общей формулировке. Другими словами,

F= µNF

Коэффициент трения определяется как где — константа. Поскольку это просто отношение двух сил, оно не имеет размеров. При статическом трении коэффициент трения называется «коэффициентом трения покоя» и обозначается s, а при трении скольжения эта же константа называется «коэффициентом трения скольжения» и обозначается k. Нижний индекс «k» означает «кинетический». Тогда, поскольку трение скольжения всегда меньше, чем трение покоя,

k< s

Примеры трения скольжения

Поскольку степень трения скольжения настолько велика, различных примеров трения скольжения не существует. Из-за химических взаимодействий трение скольжения между двумя поверхностями приводит к выделению тепла. Количество создаваемого тепла зависит от материалов поверхностей и иногда может привести к пожару. Зажигание спички — отличный пример в сегодняшних условиях. Для разведения огня в каменном веке люди использовали два камня. Поскольку трение скольжения имеет большую степень силы трения, предпочтительнее поместить объект на колесо и нести его, а не толкать, поскольку результат трения качения значительно меньше, чем результат трения скольжения. Коэффициент трения качения намного меньше коэффициента трения скольжения.

Заключение

Измерен коэффициент трения твердого тела, скользящего по слою порошка. Эта концепция используется для объяснения того, почему обломочные лавины имеют такой низкий кажущийся коэффициент трения. В качестве порошкового материала в эксперименте использовалась мука, а металлические диски служили жестким телом, которое перемещалось по слою порошка.

Для сравнения изменено состояние базальной поверхности диска. При использовании дисков с шероховатой поверхностью, на которую могли прилипать частицы порошка, были достигнуты низкие коэффициенты трения. Критическая скорость флотации не была найдена при использовании дисков с плоскими поверхностями из-за слишком высоких коэффициентов трения. Для сравнения, пороховое вещество также было изменено. При использовании муки или крахмала диски при флотации скользили, а при использовании кварцевого песка критическая скорость флотации не определялась.

Модель динамического давления предлагается как процесс, создающий силу, позволяющую диску плавать. Критическая скорость, рассчитанная по этой модели, согласуется с экспериментальными данными.

Как площадь поверхности влияет на силу трения

: Стивен Холцнер и

Обновлен: 03-26-2016

Из книги: Физики I For Dummies

9012 FOR.

Исследуйте Купить книгу на Amazon

Сила трения определяется характеристиками поверхности материалов, которые вступают в контакт. Как физика теоретически предсказывает эти характеристики? Это не так. Детальное знание поверхностей, которые вступают в контакт, — это то, что люди должны измерить сами (или они могут проверить таблицу данных после того, как кто-то другой проделал всю работу).

Вы измеряете, как нормальная сила (сила, перпендикулярная поверхности, по которой скользит объект) относится к силе трения.

Оказывается, что с хорошей степенью точности две силы пропорциональны, и вы можете использовать постоянную,

, чтобы связать два:

Обычно это уравнение записывается в следующих терминах:

Это уравнение говорит вам, что когда у вас есть нормальная сила, F _N , , все, что вам нужно сделать, это умножить ее на константу, чтобы получить силу трения, F _F

2

2 . Эта константа,

называется коэффициентом трения , , и это то, что вы измеряете для контакта между двумя конкретными поверхностями. ( Примечание: Коэффициенты — это просто числа; у них нет юнитов.)

Вот несколько вещей, о которых следует помнить:

• Уравнение

• связывает величину силы трения с величиной нормальной силы. Нормальная сила всегда направлена ​​перпендикулярно поверхности, а сила трения всегда направлена ​​параллельно поверхности. Ф _F и F _N всегда перпендикулярны друг другу.

• Сила трения обычно не зависит от площади контакта между двумя поверхностями. Это означает, что даже если у вас есть два тяжелых объекта одинаковой массы, один из которых вдвое короче и вдвое выше другого, они все равно испытывают одинаковую силу трения, когда вы перетаскиваете их по земле. Это имеет смысл, потому что, если площадь контакта удвоится, вы можете подумать, что вы должны получить вдвое больше трения. Но когда вы удваиваете длину объекта, вы вдвое уменьшаете силу, действующую на каждый квадратный сантиметр, потому что над ним находится меньший вес, который толкает вниз. Обратите внимание, что это соотношение нарушается, когда площадь поверхности становится слишком маленькой, поскольку тогда коэффициент трения увеличивается, потому что объект может начать вгрызаться в поверхность.

Эта статья из книги:

• Физика I для чайников,

Об авторе книги:

Доктор Стивен Хольцнер написал более 40 книг по физике и программированию.