Что будет, если исчезнет сила трения? Отвечают физики

Истории

Фото

Zoonar GmbH / Alamy

Что произойдет, если вдруг перестанет «работать» сила трения? Мы задали этот вопрос трем ученым-физикам.

Всеобщий беспорядок и реактивное движение

«Песок нельзя будет насыпать горкой — он растечется как вода. Тела на любой поверхности будут соскальзывать в сторону самого ничтожного наклона, почти как разлитая вода», — рассказал порталу «Вокруг света» физик Алексей Семихатов.

Если не будет силы трения, на городских улицах автомобили, скутеры, велосипеды, люди, животные и весь мусор «стекут» в сторону понижения рельефа.

«Единственным способом передвижения станет реактивное движение — так, как сейчас это делают космические аппараты: отбрасывая от себя, желательно с как можно большей скоростью, запасенные для этого предметы. Вы быстро поймете, почему топливо в космосе такое ценное. А если вы все же разогнались, то отдельная задача — остановиться в нужном месте», — объясняет физик.

Тормозить будет так же сложно, как и разгоняться, и если у вас не осталось «топлива», то вы будете путешествовать, пока не попадете в достаточно глубокое понижение рельефа. Но и там вы обречены совершать колебания, поднимаясь то на один «берег», то на противоположный.

Без силы трения автомобили, прохожие и вообще все предметы просто «утекут» вниз.

Фото

Rosemary Roberts / Alamy

«А вот дальше надо решить, что же мы все-таки „отменили“. Если кинетическая энергия никогда не переходит в тепло (как это происходит при обычном трении), но законы сохранения энергии и импульса продолжают действовать, то вас вообще почти ничто не остановит: от любой стены вы просто отразитесь, а при столкновении с другим объектом ваши скорости изменятся, но вы продолжите движение (исключение — строго центральное попадание в покоящийся предмет точно такой же массы, как у вас — но где же его взять?)», — описывает гипотетическую ситуацию Алексей Семихатов.

«И, конечно, во время движения вы будете отчаянно вращаться, иногда отдавая часть вашей „раскрученности“ (момента импульса) при столкновениях, а иногда раскручиваясь сильнее», — добавил ученый.

Вечные шторма и неутихающие звуки

Без трения мир погрузится в хаос и потеряет привычный облик, считает профессор Александр Копыльцов, завкафедрой физики Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.

«Конечно, исчезнет и вредное проявление силы трения — например, износ и тепловые потери в различных двигателях; но, вероятнее всего, из-за взаимного скольжения элементов двигателей сама возможность их работы окажется под сомнением», — объясняет физик.

Впрочем, возможен и еще более негативный сценарий, размышляет ученый.

«Трение обусловлено взаимодействием частиц, из которых состоит тело, а это взаимодействие представляет собой электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое взаимодействия. Если вместе с трением исчезнет и взаимодействие, то такой мир не сможет существовать в привычном нам виде, и последствия этого невозможно предсказать», — говорит Александр Копыльцов.

Окажемся в ловушке

Вероятно, многие без всякого удовольствия сталкивались с необходимостью передвинуть тяжелый стол или шкаф. А как иногда обидно расставаться с любимыми кроссовками или туфлями только по той причине, что стерлась подошва! Водители вынуждены регулярно менять шины и масло в двигателе, а пилоты самолетов — подниматься выше, чтобы сократить расход топлива. Казалось бы, что общего во всех этих ситуациях?

«Не дает сдвинуть стол, мешает лететь самолету, стирает подошву обуви и шины одна и та же сила — сила трения. Из-за этой силы большая часть энергии расходуется впустую, изнашиваются трущиеся детали механизмов», — рассказывает старший преподаватель по физике Домашней школы «ИнтернетУрок» Николай Герасимов.

«Без трения нога тут же выскользнет из ботинка, развяжутся все узлы, раскрутятся все гайки, болты и шурупы, а мы не сможем даже взять их в руки, чтобы исправить ситуацию. Если невозможность завязать шнурки или закрепить струну на гитаре будет проблемой личного характера, то представьте, что произойдет, например, с мостами, где тросы удерживают узлы?», — приводит примеры Николай Герасимов.

Если силы трения не станет, люди и предметы начнут скользить вниз, собираясь во впадинах, выбраться из которых будет невозможно, как практически невозможно без посторонней помощи выбраться из ледяной ловушки.

Фото

Настя Jam / YouTube

«Но будет ли хотя бы какая-то польза, если такое произойдет? Несомненно. Например, исчезновение силы трения между трущимися деталями механизмов предотвратит износ и продлит срок их службы, самые сильные ураганы не смогут нанести серьезного вреда, а отсутствие трения между литосферными плитами позволит избежать катастрофических землетрясений, подобных тем, что произошли в начале февраля», — подытожил преподаватель.

Виктор Плешаков

---

Теги

• физика

Коэффициент трения

{\mu = \dfrac{F_{тр}}{mg}}

Найти коэффициент трения

через силу трения и массучерез угол наклона

Сила трения F_тр

микроньютонмиллиньютонньютонкилоньютонмеганьютонгиганьютонкилограмм-силакипдин

Масса m

микрограмммиллиграммграммкгцентнертонна

Ускорение свободного падения g

Виджет

Ссылка на расчет

Сообщить об ошибке

Сохранить расчет

Печатать

Приводим 2 варианта нахождения коэффициента трения — зная силу трения и массу тела или зная угол наклона. Для обоих вариантов вы найдете удобные калькуляторы и формулы для расчета.

Коэффициент трения представляет собой безразмерную скалярную величину, которая равна отношению силы трения между двумя телами и силы, прижимающей их друг к другу, во время или в начале скольжения.

Коэффициент трения чаще всего обозначают греческой буквой µ («мю»).

Следует помнить, что коэффициент трения (μ) величина безразмерная, то есть не имеет единицы измерения.

Коэффициент трения зависит от качества обработки трущихся поверхностей, скорости движения тел относительно друг друга и материала соприкасающихся поверхностей. В большинстве случаев коэффициент трения находится в пределах от 0,1 до 0,5 (см. таблицу).

Содержание:

1. калькулятор коэффициента трения
2. формула коэффициента трения через силу трения и массу
3. формула коэффициента трения через угол наклона
4. таблица коэффициентов трения
5. примеры задач

Формула коэффициента трения через силу трения и массу

\mu = \dfrac{F_{тр}}{mg}

F_тр — сила трения

m — масса тела

g — ускорение свободного падения (в большинстве задач можно принять g=9. 81 м/с²)

Формула коэффициента трения через угол наклона

\mu = \tg(\alpha)

α — угол наклона

Таблица коэффициентов трения скольжения для разных пар материалов

Трущиеся материалы (при сухих поверхностях)	Коэффициенты трения
	покоя	при движении
Резина по сухому асфальту	0,95-1,0	0,5-0,8
Резина по влажному асфальту		0,25-0,75
Алюминий по алюминию	0,94
Бронза по бронзе		0,20
Бронза по чугуну		0,21
Дерево по дереву (в среднем)	0,65	0,33
Дерево по камню	0,46-0,60
Дуб по дубу (вдоль волокон)	0,62	0,48
Дуб по дубу (перпендикулярно волокнам)	0,54	0,34
Железо по железу	0,15	0,14
Железо по чугуну	0,19	0,18
Железо по бронзе (слабая смазка)	0,19	0,18
Канат пеньковый по деревянному барабану	0,40
Канат пеньковый по железному барабану	0,25
Каучук по дереву	0,80	0,55
Каучук по металлу	0,80	0,55
Кирпич по кирпичу (гладко отшлифованные)	0,5-0,7
Колесо со стальным бандажем по рельсу		0,16
Лед по льду	0,05-0,1	0,028
Метал по аботекстолиту	0,35-0,50
Метал по дереву (в среднем)	0,60	0,40
Метал по камню (в среднем)	0,42-0,50
Метал по металу (в среднем)	0,18-0,20
Медь по чугуну	0,27
Олово по свинцу	2,25
Полозья деревянные по льду		0,035
Полозья обитые железом по льду		0,02
Резина (шина) по твердому грунту	0,40-0,60
Резина (шина) по чугуну	0,83	0,8
Ремень кожаный по деревянному шкиву	0,50	0,30-0,50
Ремень кожаный по чугунному шкиву	0,30-0,50	0,56
Сталь по железу	0,19
Сталь(коньки) по льду	0,02-0,03	0,015
Сталь по райбесту	0,25-0,45
Сталь по стали	0,15-0,25	0,09 (ν = 3 м/с) 0,03 (ν = 27 м/с)
Сталь по феродо	0,25-0,45
Точильный камень (мелкозернистый) по железу		1
Точильный камень (мелкозернистый) по стали		0,94
Точильный камень (мелкозернистый) по чугуну		0,72
Чугун по дубу	0,65	0,30-0,50
Чугун по райбесту	0,25-0,45
Чугун по стали	0,33	0,13 (ν = 20 м/с)
Чугун по феродо	0,25-0,45
Чугун по чугуну		0,15

Примеры задач на нахождение коэффициента трения

Задача 1

Найдите коэффициент трения между полом и ящиком массой 20 кг, который равномерно двигают с силой 50 Н.

Решение

Для решения задачи воспользуемся формулой.

\mu = \dfrac{F_{тр}}{mg} = \dfrac{50}{20 \cdot 9.81} = \dfrac{50}{196.2} \approx 0.25484

Ответ: \approx 0.25484

С помощью калькулятора удобно проверить ответ.

Задача 2

Найдите коэффициент трения если угол наклона 30°.

Решение

Для решения этой задачи воспользуемся второй формулой.

\mu = \tg(\alpha) = \tg(30°) \approx 0.57735

Ответ: \approx 0.57735

Проверим полученный ответ с помощью калькулятора .

Трение: сила природы

Трение — это фактор, который нельзя игнорировать при натяжении болтов. Всегда присутствующее в болтовом соединении трение может быть частью проблемы или частью решения.

Трение — это сила, возникающая всякий раз, когда два объекта соприкасаются друг с другом. Это противоположно всякому движению. Независимо от того, в каком направлении что-то движется, трение тянет его в другую сторону.

Тем не менее, нам нужно трение. Без него мы не смогли бы ходить, сидеть в кресле или подниматься по лестнице. Все просто продолжало бы скользить.

Франк Науманн, бывший управляющий директор Немецкой ассоциации крепежных изделий и обладающий более чем пятидесятилетним опытом в области трения, объясняет, что трение всегда существует в болтовом соединении. С одной стороны, это ограничивает эффективность преобразования крутящего момента в желаемую предварительную нагрузку, с другой стороны, необходимо поддерживать предварительную нагрузку в соединении, чтобы предотвратить расшатывание деталей.

«Есть два коэффициента, которые описывают трение между вращающимися частями в процессе затяжки», — говорит Науманн. «Во-первых, это коэффициент трения между опорными поверхностями под головкой винта или под гайкой µb (µb = трение шайбы) и, во-вторых, коэффициент трения между витками резьбы µth (µth = трение резьбы). Оба они потребляют большое количество энергии, которая превращается в бесполезное тепло. Например, в случае, когда µb=µth=0,10, только 16 % крутящего момента преобразуется в предварительную нагрузку. На величину коэффициентов можно влиять контролируемой смазкой. В автомобильной промышленности в основном используется диапазон от 0,08 до 0,16».

Что касается болтовых соединений, трение иногда является частью решения, а также частью проблемы. Конечно, зажимная нагрузка в болте в основном определяется крутящим моментом, необходимым для затяжки болта. Но это также функция таких аспектов, как диаметр и длина болта, геометрия резьбы и, не следует забывать, коэффициенты трения, существующие в резьбе и под головкой болта и гайкой.
Коэффициент трения необходим для расчета моментов затяжки и результирующих растягивающих усилий и напряжений болтов, а также для расчета результирующей силы трения между соединяемыми поверхностями.

Однако приблизительные значения коэффициентов трения, приведенные в таблицах, являются только репрезентативными значениями. Они должны быть подтверждены другими источниками информации и, желательно, тестированием.

Величина крутящего момента зависит от трения в резьбе и между затянутой головкой болта и гайкой, а также от скрепляемого материала или шайбы, если они используются. Фактически при затяжке почти вся подводимая энергия теряется на преодоление трения под головкой, гайкой и резьбой. Лишь небольшая часть крутящего момента преобразуется в нагрузку зажима или натяжение.

Динамометрические ключи не позволяют напрямую измерить предварительную нагрузку болта. При приложении крутящего момента он должен преодолевать статическое трение под головкой болта и гайки, в зависимости от того, какой конец затягивается, а также в резьбе.

Большая часть прилагаемого крутящего момента, около 50 процентов, теряется при преодолении трения под затянутой головкой болта и гайкой, и около 40 процентов теряется при трении резьбы. Только оставшиеся десять процентов приложенного крутящего момента совершают полезную работу по растяжению болта и обеспечению предварительного натяга.

Трение часто используется как метод фиксации болтовых соединений. Наиболее распространенные примеры включают деформированную резьбу или стопорные гайки с нейлоновой вставкой или зубчатые/зубчатые/звездчатые шайбы. В этих решениях принцип фрикционной блокировки основан на повышенном трении в резьбе или под головкой болта и гайкой.

Однако такие факторы, как кручение, заедание и истирание, могут негативно повлиять на эти решения, основанные на трении.

Также могут возникнуть проблемы из-за повышенного напряжения кручения в соединении при методах блокировки, основанных на трении. Сильное кручение может привести к деформации крепежа при меньшем предварительном натяге, чем ожидалось. Поскольку условия трения неравномерны, необходимая предварительная нагрузка может быть не достигнута.

Крепеж из нержавеющей стали, алюминия, титана и других сплавов также может выдерживать непредсказуемое заедание резьбы (холодная сварка). При болтовом креплении заедание резьбы возникает во время затяжки крепежа, поскольку между соприкасающимися и скользящими поверхностями резьбы возникает давление.

В экстремальных случаях истирание приводит к заклиниванию, что представляет собой фактическое смерзание резьбы и блокировку болта. Дальнейшее затягивание может привести к скручиванию крепежной детали или сорванию резьбы.

Смазочные материалы часто используются для уменьшения трения и получения равномерной нагрузки на зажим. Частое смазывание внутренней и внешней резьбы также может предотвратить заедание резьбы.

По словам Михаэля Штелера, менеджера по продукции компании Dörken, современная тенденция заключается в том, чтобы наносить на болт или гайку покрытие, соответствующее задаче, которую они должны выполнять. В основном это покрытия со встроенной смазкой; отдельная смазка, добавленная после покрытия, больше не удобна, так как это дополнительный шаг. Также покрытия, не устойчивые к температуре, могут вызвать саморасшатывание соединения.

Тем не менее, смазка значительно уменьшит или даже снизит блокирующую способность любого метода, основанного на трении. Смазку никогда не следует использовать в сочетании с блокировкой на основе трения, потому что это будет противодействовать возможностям блокировки.

Очень важно контролировать нагрузку на зажим, и этого можно добиться за счет уменьшения распространения трения. При использовании болтовых соединений для блокировки, не основанных на трении, можно использовать смазку.

За счет снижения трения за счет смазывания улучшается контроль предварительного натяга и значительно снижается разброс. Тогда можно будет использовать всю мощность болта и продлить срок службы болтового соединения. Болт, который выходит из строя из-за усталости, вызывает нежелательные остановки производства.

Трение с видом на Nord-Lock

Шайбы Nord-Lock фиксируют болтовые соединения натяжением, а не трением. Шайбы предназначены для создания эффекта клина, и доказательством этого может служить увеличение натяжения при раскручивании.

Этот эффект клина предотвращает ослабление болта. Болтовые соединения теряют лишь некоторую начальную предварительную нагрузку из-за нормальных осадок между контактными поверхностями.

Уменьшить трение резьбы при надежной фиксации соединения часто считают невозможным. Однако с клиновым замком Nord-Lock, основанным на растяжении, этого можно добиться с помощью смазки.

«Метод клинового запирания основан на растяжении, а не на трении, — говорит Лена Калмыкова, инженер по применению Nord-Lock. «Наиболее распространенным примером системы клинового запирания является пара шайб с кулачками, подъем которых превышает шаг резьбы болта. Пара шайб устанавливается лицом к кулачку. Когда болт/гайка затянуты, зубья захватывают и блокируют сопрягаемые поверхности, обеспечивая движение только по поверхности кулачка. Любое вращение болта/гайки блокируется клиновым эффектом кулачков. Смазка не влияет на способность стопорения клина. Более того, с его помощью вы можете использовать каждый болт на полную мощность».

Увлекательный факт трения

Трение зависит от характеристик поверхностей – насколько они плоские, круглые или шероховатые. Трение также зависит от того, в какой среде находятся поверхности, влажная она или сухая, а также от того, какие частицы находятся в среде.

Это очень междисциплинарная область, поскольку она включает в себя различные области, такие как механика, химия и гидродинамика. Вы должны пройти весь путь до атомного уровня, чтобы полностью и в деталях понять, что происходит с точки зрения трения.

Классические законы трения скольжения были открыты Леонардо да Винчи. Они были заново открыты Гийомом Амонтоном, который представил природу трения с точки зрения неровностей поверхности и силы, необходимой для поднятия веса, прижимающего поверхности друг к другу.

В прошлом веке было показано, что на микроскопическом уровне фактическая площадь контакта между поверхностями составляет очень малую часть видимой площади. Развитие атомно-силового микроскопа позволило ученым изучать трение в атомном масштабе.

Статическое трение возникает между двумя поверхностями, упирающимися друг в друга. Контуры каждой поверхности имеют возможность слиться друг с другом и действительно получить хорошее сцепление.

 

Причины трения — поверхность

В этом практическом задании учащиеся знакомятся с понятиями статического и кинетического трения и узнают, как тип задействованной поверхности влияет на величину силы трения. Перед выполнением задания учащиеся обсуждают свои наблюдения из реальной жизни, иллюстрирующие трение на работе (толкание предмета по шероховатой поверхности, скольжение по льду и т. д.).

Преподаватель может совместить это обсуждение с демонстрацией, например, попросить учащихся толкнуть тяжелую коробку по скользкой поверхности, а не по ковру.

Обсудите, как возникает кинетическое трение одной поверхности о другую, когда две поверхности трутся друг о друга, потому что одна или обе из них находятся в движении. Эта сила трения зависит от типа поверхности, а также от того, насколько сильно поверхности прижимаются друг к другу.

Студенты также узнают, что даже когда объект не движется, на него все равно действует статическое трение. Нужно приложить к объекту большую силу, чем сила статического трения, чтобы преодолеть его, заставив рассматриваемый объект двигаться.

Поняв законы Ньютона, учащиеся могут сделать вывод, что если вы толкаете или тянете объект по поверхности с постоянной скоростью, сила трения равна и противоположна по направлению силе толкания или тяги.

Ключевые термины:

Кинетическое трение  – Сила трения, оказываемая на поверхность, когда она трется о другую поверхность из-за движения.

Статическое трение – Сила, действующая на одну поверхность другой, когда ни одна из поверхностей не находится в движении. Максимальное статическое трение преодолевается, когда объект начинает двигаться под действием отдельной силы. Статическое трение действует в ответ на силу, пытающуюся заставить его двигаться.

Третий закон Ньютона – Когда объект воздействует на другой объект, второй объект оказывает на первый объект силу равной силы и противоположного направления.

Это задание позволяет учащимся с нарушениями зрения изучить, как тактильные свойства различных поверхностей напрямую влияют на силу трения. Использование пенни в качестве неофициальной меры силы выбрано из-за простоты использования, но дальнейшее расширение / изменение может включать использование адаптированной пружинной шкалы, которая показана ниже. Чтобы наблюдать за движением объекта по различным поверхностям, учащемуся может быть предложено положить руку на край поверхности или слегка над ней, ощущая момент, когда притяжение монет превышает максимальное статическое трение и объект. приводится в движение.

Подготовка

Создание фрикционной доски

Перед занятием необходимо собрать материалы и создать «доски трения». Мы предоставили список рекомендуемых материалов, но можно использовать практически любой материал с тактильно отличной поверхностью. Их может быть от 2 до 12, в зависимости от того, сколько испытаний вы хотите, чтобы учащиеся выполнили.

Первые шаги по изготовлению фрикционной доски

Чтобы создать доску, найдите картонный квадрат и разметьте его сеткой из равных промежутков. Вырежьте образцы каждого из ваших материалов, чтобы они соответствовали промежуткам, и с помощью клеевого пистолета прикрепите их к квадрату. Поместите WikkiStix ™ вокруг параметра каждой секции, чтобы сделать определенные области более явными и создать границу для движущегося объекта. Поместите «фрикционную доску» на поднос, убедившись, что она достаточно приподнята и находится на одном уровне с краем подноса (мы разместили книги под досками).

Чтобы создать груз, проткните дырку в полиэтиленовом пакете и привяжите к нему шнур, а другой конец привяжите к небольшому грузу.

Создание веса

Материалы

• Квадратный кусок картона или пенопласта
• Фактурные материалы: алюминиевая фольга, наждачная бумага, пузырчатая пленка, резина, ткань, Dycem ™, стекло и т. д.
• Клеевой пистолет
• Лоток
• Предмет, например, гиря весом 100 г с крючком
• Строка
• Полиэтиленовый пакет
• Контейнер для пенни (не менее 50)

Процедура

1. Поместите груз на одну из выбранных поверхностей, наиболее удаленную от края лотка. Повесьте полиэтиленовый пакет на край стола.

Груз с пластиковым мешком, свисающим с края лотка

2. Начинайте класть пенни в мешочек по одному, следя за весом. Как только вес начнет перемещаться по поверхности, прекратите класть монеты в мешок и запишите число.

Помещение монет в полиэтиленовый пакет Пластиковый пакет с несколькими монетами внутри

3. Повторите шаги для каждой новой поверхности, продолжая записывать данные. Сравните результаты и запишите наблюдения, отмечая, какие поверхности требуют наибольшей и наименьшей силы, чтобы заставить объект двигаться. Какой вывод можно сделать о влиянии поверхностей с разными физическими свойствами на трение? Как мы используем эти материалы каждый день в ситуациях, когда желательно дополнительное трение?

Вариации

Предложите учащимся провести эксперимент с предметами разного веса. Спросите учащихся, изменялась ли сила, необходимая для преодоления статического трения, в зависимости от веса испытуемых объектов. Объясните, что вес объекта влияет на нормальную силу, действующую между объектом и поверхностью, на которой он стоит. В общем, увеличивая вес, вы увеличиваете нормальную силу и, следовательно, вызываете увеличение статического трения. Вы можете указать на примеры, когда вес не равен нормальной силе, спросив учащихся, как это может произойти.

Гири и весы Пружинные весы

б. Проведите более масштабную версию этого эксперимента, заполнив коробку тяжелым материалом, например деревянными брусками. Проделайте отверстия с обеих сторон коробки и проденьте через отверстия веревку. Привяжите концы веревки к адаптированным пружинным весам, а другой конец веревки (с ручкой) к другому концу весов. Прогуляйтесь по кампусу, найдите различные поверхности (бетон, трава, песок и т. д.) и запишите величину силы, необходимой для того, чтобы заставить коробку двигаться с постоянной скоростью.