формула определения значения, обозначение в физике, измерительные действия

Физика

12.11.21

15 мин.

Процесс взаимодействия тел при их относительном движении можно отобразить с помощью формулы трения скольжения. Коэффициент определяется только путём проведённых исследований. Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется трибологией (механикой фрикционного взаимодействия). Определяемый коэффициент является совокупной характеристикой пары материалов, которые не зависят от площади соприкосновения тел.

Оглавление:

• Краткое описание
• Сила трения скольжения
• Правила расчёта
• Измерительные манипуляции
• Основные характеристики
• Практическое значение
• Ключевые нюансы

Процесс взаимодействия тел при их относительном движении можно отобразить с помощью формулы трения скольжения. Коэффициент определяется только путём проведённых исследований. Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется трибологией (механикой фрикционного взаимодействия). Определяемый коэффициент является совокупной характеристикой пары материалов, которые не зависят от площади соприкосновения тел.

Краткое описание

Трение можно рассматривать как способ взаимодействия двух объектов. Но у этого процесса есть свои нюансы. Между двумя объектами трение возникает только в результате их соприкосновения с определённой площадью поверхности. Этот процесс попадает под действие третьего закона Ньютона.

Например, если взять 2 небольших бруска из дерева и просто их передвигать, то в итоге можно наблюдать соприкосновение по площадям. Во время эксперимента можно заметить, что двигать предметами относительно друг друга гораздо сложнее, нежели совершать с ними какие-либо манипуляции в воздухе. Именно в этом случае в действие вступает закон трения.

В третьем законе Ньютона описано правило, которое касается того, что по модулю силы равны, но направлены совершенно в разные стороны. Получается, что сила μ является векторной величиной. Этот процесс имеет электромагнитную природу. Трение возникает в результате того, что молекулы и атомы тел, участвующих в соприкосновении, начинают взаимодействовать друг с другом. На этом правиле основано много задач по физике. Латинской буквой k или греческой μ обозначается коэффициент трения.

Сила трения скольжения

Коэффициент трения скольжения показывает отношение μ к силе давления на поверхность. Это правило изучают на уроках физики в 10 классе. Силы трения всегда воздействуют на объекты. Они возникают в результате соприкосновения твёрдых тел, газов и жидкостей, подчиняются закону Ньютона.

Для решения сложных задач нужно понимать, что направление силы трения противоположно движению объекта и факторам, которые стремятся изменить его положение. Исключений не предусмотрено.

О процессе трения скольжения можно говорить только тогда, когда тело движется относительно другого объекта. Конечные результаты во многом зависят от следующих факторов:

• скорости движения;
• коэффициента трения скольжения (µ), от которого напрямую зависят свойства, а также состояние поверхностей соприкосновения;
• силы нормальной реакции опоры (N→).

Итоговый коэффициент во многом зависит от свойств задействованного материала.

Например, чем шероховатее будет поверхность, тем больше станет значение μ. У скользких оснований коэффициент окажется минимальным. Трение во многом зависит от скорости, но этим значением часто пренебрегают, если речь не идет о точных измерениях. По этой причине показатель μ является постоянным.

Правила расчёта

С максимальной точностью силу трения скольжения можно определить с помощью формулы F = µ* N. Значение N рассчитывается как производное массы тела на ускорение свободного падения. Учитывается также косинус угла к поверхности: N = m * g * cosa. Формула коэффициента трения скольжения выглядит следующим образом: µ = F/N.

На уроках физики можно узнать, что для основного количества всех пар материалов коэффициент рассчитывается во время опытов. Значение находится в пределах от 0,1 до 0,5. В такой ситуации μ будет являться переменной величиной.

В физике используются специальные таблицы, в которых указаны переменные величины для каждого из материалов. Но эти данные являются актуальными только при соблюдении определённых условий. Если нужно получить максимально точный результат, тогда следует самостоятельно выполнить расчёты для конкретной ситуации.

Измерительные манипуляции

Динамометр используется для измерения реальных показателей механической силы. Этот прибор включает в себя силовой элемент (пружину) и отчётное звено (линейку). Принцип использования стандартного пружинного динамометра прост.

На прибор воздействует сила, которая растягивает либо сжимает упругое звено. Полученное значение фиксируется при помощи измерительной части.

Чтобы правильно найти величину μ, которая передаётся на брусок в процессе его движения по конкретной поверхности, нужно постараться прикрепить к объекту динамометр. Необходимо потянуть устройство за пружину в горизонтальной плоскости.

Чтобы полученный результат не имел погрешностей, нужно следить за тем, чтобы прибор перемещался максимально равномерно и с постоянной скоростью.

На анализируемую величину будут действовать сразу 2 силы, одна из которых препятствует движению бруска, а вторая старается снизить вероятность деформации пружины. Так как движение динамометра равномерное, силы имеют одинаковое значение и уравновешивают друг друга. На измерительной шкале регистрируется показатель упругости пружины, из-за чего полученная величина и будет искомой цифрой.

Проведённый опыт может доказать, что итоговое значение μ во многом зависит от веса задействованного объекта. Если применить дополнительный груз и повторить исследование, тогда можно заметить, что значение на линейке увеличится.

Основные характеристики

Сила трения может рассматриваться как процесс, который возникает в результате соприкосновения двух объектов и препятствует их относительному движению. Основными причинами трения являются специфическая шероховатость трущихся поверхностей и взаимодействие имеющихся молекул. Существует определённый характер фрикционного взаимодействия, который принято делить на несколько категорий:

1. Граничное. В области контакта содержатся участки и слои разной природы (например, жидкость, оксидные плёнки). Это самый распространённый случай, когда дело касается скольжения.
2. Сухое. Взаимодействующие твёрдые тела не разделены между собой дополнительными слоями. На практике крайне редко фиксируются ситуации, которые свойственны сухому трению. Для этого случая характерно наличие большого значения μ в состоянии покоя.
3. Жидкостное. Задействованные тела разделены слоем твёрдого тела (например, порошок графита), газом либо жидкостью. Эта ситуация чаще всего фиксируется при трении качения. Твёрдые тела погружены в жидкость, а величина μ отличается вязкой средой.
4. Смешанное. Зона контакта содержит участки жидкостного и сухого трения.
5. Вязкоупругое. Решающую роль играет внутреннее трение в смазывающем материале. Это фрикционное взаимодействие возникает при увеличении относительных скоростей перемещения.

Многочисленные исследования показали, что для многих пар материалов итоговое значение µ не превышает 1. В противном случае можно говорить, что между контактирующими телами присутствует сила адгезии.

Для решения элементарных задач используется следующая формула: µ = (F + F adhesion)/ N. Значение μ измеряется стандартным образом, никакие дополнительные буквы для обозначения полученного результата не используются (указываются только цифры).

Практическое значение

Трение играет отрицательную роль во многих механизмах, например, в транспортных средствах, двигателях внутреннего сгорания, зубчатых шестеренках. Негативное значение сказывается на снижении коэффициента полезного действия механизма. Смазки, масла на синтетической и натуральной основе позволяют существенно уменьшить силу трения. На многих широко распространённых деталях присутствует защитное напыление.

Если речь идет о миниатюризации МЭМС (микроэлектромеханических систем) и НЭМС (наноэлектромеханических систем), тогда показатель μ будет существенно увеличиваться. Для решения этих проблем используется усовершенствованный подход в рамках трибологии.

Благодаря трению объекты могут перемещаться. Например, при ходьбе неизбежным является сцепление стопы с полом, из-за чего человек отталкивается от поверхности и движется дальше. Аналогичным образом происходит сцепление колёс транспортного средства с дорогой. Для повышения эксплуатационных характеристик автомобилей выпускаются инновационные формы и специальные разновидности резины для колёс. На спортивные машины устанавливают универсальные антикрылья, которые прижимают транспортное средство к трассе.

Ключевые нюансы

Сила трения имеет место и при качении какого-либо тела. Но этим параметром часто пренебрегают, так как итоговые показатели недостаточно велики, чтобы брать их в расчёт. Такой подход позволяет упростить процесс решения различных задач. Но даже в этом случае можно сохранить высокую степень точности итогового результата.

Для закрепления полученных знаний можно изучить пример решения задачи по физике. На пол поставили ящик весом 7 кг. Между этим объектом и напольным покрытием значение μ составляет 0,3. К ящику прикладывают силу, которая соответствует 14 Н. Нужно совершить необходимые расчёты, чтобы понять, можно ли сдвинуть объект с места. Для определения силы реакции необходимо массу ящика умножить на ускорение:

1. N = m * g.
2. N = 10 кг * 9,8 м/с² = 98 кг * м/с² = 98 Н.
3. F = k * N.
4. F = 0,3 * 98 Н = 29,4 Н.

Полученный результат позволяет сделать вывод, что ящик останется на прежнем месте. Это связано с тем, что итоговое значение превышает усилия, приложенные к объекту: 29,4 Н > 14 Н.

Силы трения имеют большое значение в жизни людей и животных.

Благодаря этому явлению человек может ходить и держать в руках различные предметы. За счёт действия закона сцепления на скалах удерживаются огромные валуны и не падают в пропасть, а плетущиеся растения тянутся к солнечному свету и скрепляются с ближайшей опорой.

Люди и животные от природы умеют избавляться от негативного воздействия торможения. К примеру, всё тело рыбы покрыто специальной слизью, что позволяет существенно уменьшить трение о воду. Человек при работе с техникой научился использовать различные смазывающие материалы, благодаря чему увеличивается срок эксплуатации, а также качество работы устройства.

что это, от чего зависит, в чем измеряется, как найти, формула, виды, задачи

Содержание:

• Что такое сила трения
• От чего зависит сила трения
• В чем измеряется
• Как найти силу трения: формула
• Виды силы трения
• Задачи

Содержание

• Что такое сила трения
• От чего зависит сила трения
• В чем измеряется
• Как найти силу трения: формула
• Виды силы трения
• Задачи

Что такое сила трения

Сила трения, как физическое явление, возникает при соприкосновении и взаимном передвижении двух поверхностей. Данная сила представляет собой объект изучения физики, а именно, механики. В процессе опытных наблюдений и изучения силы трения были сформулированы ключевые закономерности, описывающие перемещение и взаимное воздействие физических тел друг на друга. При этом объясняются причины, в зависимости от которых предметы занимают то или иное положение. Когда формируется некая сила трения, образуется барьер для последующего движения взаимодействующих тел.

Возникновение силы трения можно объяснить взаимным воздействием атомов и молекул. Они входят в состав абсолютно всех окружающих предметов. Исходя из этого, разумно сделать вывод о природе образования силы трения, то есть электромагнитных волнах. Вектор силы трения ориентирован в двух направлениях. Данная сила оказывает действие на оба тела, участвующие во взаимодействии. В этом случае можно наблюдать стабильность значения модуля силы трения. Когда один из предметов рассматриваемой системы испытывает на себе действие силы, она влияет и на второй предмет. Если объект неподвижен, то он подвержен силе трения покоя. Такое состояние отличается стабильностью до того момента, пока сила покоя и сила внешнего смещающего его воздействия уравновешены.

По мере возрастания силы, действующей на тело, кроме силы трения покоя, можно заметить, что оно начинает двигаться и занимает новое положение. Таким образом, проявляется сила трения скольжения, вектор которой направлен противоположно движению объекта. За счет действия силы трения не представляется возможным двигаться в течение неограниченного времени. Перемещение завершается после какого-то временного промежутка. При увеличении внешней силы по сравнению с силой трения покоя можно наблюдать возобновление движения.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Трение представляет собой процесс в механике взаимного воздействия тел, которые соприкасаются и перемещаются относительно друг друга в плоскости касания. Также трением называют относительное перемещение между собой параллельных слоев веществ в жидком, газообразном, твердом агрегатных состояниях.

Сила трения является такой силой, причина возникновения которой заключается в соприкосновении пары предметов  и которая создает барьер для их относительного перемещения.

Источник: prezentacii.org

От чего зависит сила трения

Силу трения можно наблюдать в окружающем мире повсюду. Благодаря ее действию, тела не двигаются бесконечно, занимают определенное положение. За счет силы трения предметы лишены возможности скользить и перемещаться длительное время. Величина силы трения определяется типом соприкасающихся поверхностей, их физико-химическими свойствами и характеристиками.

Параметром, который не влияет на силу трения, является площадь соприкосновения предметов. С другой стороны, на интенсивность воздействия оказывает влияние то, как расположены тела. К примеру, если машина едет по ровной дороге, на нее действует одна сила. В том случае, когда транспортное средство перемещается по горному рельефу под каким-то углом к горизонту, оно испытывает на себе силу другой величины. Также значение силы поменяется при движении автомобиля по мокрому асфальту.

Трение возникает по причине шероховатости, которой обладают соприкасающиеся поверхности, а также за счет взаимного воздействия молекул, составляющих эти поверхности. Величина возникающей силы трения определяется составом материалов и тем, насколько сильно они соприкасаются друг с другом. Самые простые модели демонстрации силы трения, с помощью которых описан закон Кулона, предполагают прямую пропорциональную зависимость между силой трения и силой нормальной реакции, возникающими между соприкасающимися поверхностями.

Примечание 

Известно, что физико-химические процессы, протекающие в физических телах, отличаются сложностью. По этой причине сформулировать принципы, характерные для процессов трения, с помощью простейших моделей традиционной механики не представляется возможным.

В чем измеряется

Сила трения представляет собой величину, описывающую процесс трения, а именно, его значение и направление. Из школьного курса физики известно, что силу измеряют в Ньютонах (Н). Аналогичные единицы измерения используют при расчете силы трения.

Как найти силу трения: формула

Коэффициент трения (обозначают, как \mu) играет роль ключевой характеристики трения, зависит от состава соприкасающихся поверхностей.

При рассмотрении примитивных примеров возникновения силы трения и нормальной нагрузки данные величины можно выразить с помощью следующего соотношения:

\(|F|\leqslant \mu {N_{{normal}}}\)

Здесь F обозначает силу трения, \(N_{normal}\) является силой нормальной реакции.

Перечислим некоторые коэффициенты трения, характерные для разных материалов:

Источник: ru.wikipedia.org

Виды силы трения

Как уже было сказано ранее, силы трения могут отличаться в зависимости от природы и положения взаимодействующих тел. Рассмотрим основные виды данного воздействия:

1. Сила трения покоя направлена против внешнего воздействия, перемещающего предмет. Если внешние силы отсутствуют, сила трения покоя имеет нулевое значение.
2. Сила трения скольжения прямо зависит от коэффициента трения и силы давления поверхности, влияющей на тело. Вектор этого трения является перпендикуляром, опущенным к поверхности. В распространенных ситуация скольжение меньше по сравнению с самой большой силой трения покоя.
3. Сила трения качения формируется в том случае, когда какой-то предмет катится по поверхности второго. В качестве примеров можно привести движение колеса велосипеда относительно дороги и функционирование подшипникового механизма. Действие этой силы меньше по сравнению со скольжением при аналогичных условиях.
4. Сила трения верчения образуется при вращении некого тела относительно поверхности другого тела.

Источник: kopilkaurokov.ru

Трение, как природное явление, классифицируют на несколько видов. Перечислим основные из них:

1. Сухое трение, редко встречающееся в естественной среде, предполагающее взаимодействие твердых поверхностей.
2. Вязкое (жидкостное) трение можно наблюдать, когда твердое тело соприкасается с материалом в жидком или газообразном агрегатных состояниях.
3. Смешанное трение характерно для взаимодействия предметов, поверхности которых смазаны.

Кроме того, трение бывает таких видов, как:

• внутреннее;
• внешнее.

Задачи

Задача 1

Доска имеет массу (М) 15 кг и расположена на гладкой поверхности. На нее поместили брусок массой (m) 3 кг. Требуется вычислить, чему равна максимальная горизонтально ориентированная сила, воздействующая на доску, при нахождении бруска в состоянии покоя. Коэффициент трения между доской и бруском в данном случае следует считать за \(\mu = 0,4.\)

Решение

Воспользуемся понятием и особенностями действия сил трения, применительно к данной задаче. Для удобства вычислений необходимо представить два изображения. Сначала продемонстрируем наглядно действие сил, направленных на брусок. С правой стороны изобразим систему сил для доски.

Источник: physics.shkolkovo.net

Заметим, что брусок находится в состоянии покоя на доске. Таким образом, можно сделать вывод о равенстве их ускорений, то есть:

\(a_1=a_2=a\)

Воспользуемся вторым законом Ньютона, применительно к бруску. Тогда получим следующее соотношение:

\(\vec{N_1}+\vec{F_{\text{тр}}}+m\vec{g} = m\vec{a}\)

Воспроизведем проекции на координатные оси:

\(Oy: N_1 — mg = 0\)

\(Ox: F_{\text{тр}} = ma\)

В критический момент времени при максимальном значении ускорения. При этом скольжение бруска отсутствует, а сила трения покоя находится в равновесии с силой трения скольжения. Исходя из данных условий, можно записать следующее:

\(F_{\text{тр}} = \mu N = \mu mg\)

Путем подстановки полученного выражения в уравнение проекции второго закона Ньютона на ось Ох, получим такое соотношение:

\(\mu mg = ma \Rightarrow a= \mu g\)

Далее необходимо применить второй закон Ньютона для системы, в которой участвуют доска и брусок. 2$} = 72\text{ H }\)

Ответ: 72.

Задача 2

Некое тело движется, испытывая влияние горизонтально направленной силы. При этом на тело оказывает воздействие сила трения, обозначенная, как \(F_{\text{тр1}}\). Необходимо вычислить, во сколько раз поменяется значение данной силы при уменьшении массы наблюдаемого объекта в 2 раза.

Решение

 

Упростить понимание этой задачи можно путем изображения всех сил, приложенных к телу:

Источник: physics.shkolkovo.net

Воспользуемся вторым законом Ньютона, чтобы записать следующее справедливое равенство:

\(\vec{F} + \vec{N} + m\vec{g} +\vec{F}_{\text{тр1}} = m\vec{a}\)

В данном случае m обозначает массу тела, а является ускорением, которое приобретает объект.

Если построить проекцию данного выражения на вертикальной оси, то получим такое соотношение:

\(N — mg = 0 \Rightarrow N=mg\)

Исходя из понятия силы трения скольжения, справедливо записать следующее уравнение:

\(F_{\text{тр}} = \mu N = \mu mg\)

Здесь \mu является коэффициентом трения.

Заметим наличие прямой зависимости между силой трения скольжения и массой объекта. Из этого целесообразно сделать вывод об уменьшении силы трения скольжения в 2 раза при условии, что массу тела уменьшили в 2 раза.

Ответ: 2

Задача 3

Некий предмет имеет массу 10 кг и испытывает на себе горизонтально ориентированную силу F=30 Н. Данное тело расположено на горизонтальной шероховатой поверхности. Коэффициент трения при этом равен  \(\mu=0,5\). Нужно вычислить величину силы трения.

Решение

Обратимся к понятию силы трения скольжения. Данная сила определяется с помощью следующей формулы:

\(F_{\text{ск}} = \mu N\)

В данном случае N обозначает силу реакции опоры.

Изобразим схематично силы, которые приложены к предмету:

Источник: physics.shkolkovo.net

Воспользуемся вторым законом Ньютона и запишем следующее справедливое равенство, применительно к условиям задачи:

\(\vec{F_{\text{ск}}} +\vec{F}+m\vec{g} + \vec{N} = m\vec{a} \)

Если спроецировать рассматриваемые силы на ось ординат, получим следующее:

\(N-mg=0\Rightarrow N=mg Отсюда: F_{\text{ск}} = \mu mg = 0,5\cdot 10\text{ кг} \cdot 10\text{ м/с$^2$} = 50\text{ H }\)

Из полученного результата можно сделать такой вывод:

\(F_\text{ск} > F\)

Из этого следует, что при приложении к телу силы, направленной в левую сторону, оно начнет двигаться в правую сторону. С точки зрения физики такая ситуация невозможна. Таким образом, вычисленной силы не хватает для смещения предмета. В результате, можно наблюдать равенство силы трения и силы трения покоя, равной силе, с которой воздействуют на тело для его передвижения:

\(F_{\text{тр}}=F_{\text{покоя}} = F = 30\text{ Н }\)

Ответ: 30

Задача 4

Графически изображена зависимость модуля силы трения скольжения от модуля силы нормального давления. Необходимо вычислить значение коэффициента трения.

Источник: physics.shkolkovo.net

Решение

Воспользуемся уравнением силы трения, из которого выразим искомый коэффициент трения. Подставим известные величины по условию задания и выполним вычисления:

\(F_\text{ тр}=\mu N \Rightarrow \mu =\dfrac{F_\text{ тр}}{N}=\dfrac{3\text{ Н}}{24\text{ Н}}=0,125\)

Ответ: 0,125

Задача 5

Предмет перемещается по горизонтальной поверхности и действует на нее с силой 40 Н. {\circ}\) шайба скользит равномерно. Необходимо вычислить высоту горки и округлить ответ до десятых.

Решение

Проанализировать все силы, которые оказывают влияние на шайбу, становится проще, если изобразить их на схеме:

Источник: physics.shkolkovo.net

Запишем соотношение для второго закона Ньютона:

\(\vec{F_{\text{тр}}} +m\vec{g} + \vec{N} = m\vec{a}\)

Далее представим проекцию полученного выражения на ось абсцисс и ординат:

\(Ox: mg\sin{\alpha} — F_{\text{тр}}=ma\)

\(Oy: N-mg\cos{\alpha} = 0\Rightarrow N=mg\cos{\alpha}\)

Исходя из понятия силы трения скольжения, запишем следующее уравнение:

\(F_{\text{тр}} = \mu N = \mu mg\cos{\alpha}\)

В результате получим, что:

\(mg\sin{\alpha} — \mu mg\cos{\alpha}=ma g(\sin{\alpha} — \mu \cos{\alpha})=a\)

Проанализируем условия, при которых шайба скользит, чтобы определить значение коэффициента трения. Заметим, что в начале движения ускорение обладает нулевым значением. {\circ}\). Коэффициент трения составляет \(\mu=0,4\). Нужно рассчитать силу трения \( F_{\text{тр}}.\)

Решение

В первую очередь необходимо определить, в каком состоянии находится предмет. Целесообразно при этом проанализировать момент времени равенства угла наклона критическому, то есть:

\(\alpha=\alpha_{\text{кр}}\)

Источник: physics.shkolkovo.net

Согласно второму закону Ньютона, получим:

\(\vec{F_{\text{тр}}} +m\vec{g} + \vec{N} = m\vec{a}\)

Запишем проекции уравнения на оси абсцисс и ординат:

\(Ox: F_{\text{тр}}- mg\sin{\alpha_{\text{кр}}}=0 \Rightarrow F_{\text{тр}}= mg\sin{\alpha_{\text{кр}}}\)

\(Oy: N-mg\cos{\alpha_{\text{кр}}} = 0\Rightarrow N=mg\cos{\alpha_{\text{кр}}}\)

Исходя из определения силы трения скольжения, составим следующее соотношение:

\(F_{\text{тр}} = \mu N = \mu mg\cos{\alpha_{\text{кр}}} mg\sin{\alpha_{\text{кр}}} = \mu mg\cos{\alpha_{\text{кр}}}\)

В результате:

\(\mu\cos{\alpha_{\text{кр}}} = \sin{\alpha_{\text{кр}}}\Rightarrow \mu = tg{\alpha_{\text{кр}}}\)

Так как \(\alpha_{\text{кр}}\) является углом, при котором  предмет смещается, \(tg{\alpha}\) обозначает функцию, которая возрастает на интервале \((0;\dfrac{\pi}{2})\), можно записать следующий вывод для \(\alpha < \alpha_{\text{кр}}\):

при \(\mu < tg{\alpha}\) предмет начинает скользить;

при \(\mu > tg{\alpha} \) тело находится в покое. 2$}\cdot\frac{\sqrt{3}}{2} F_{\text{тр}} \approx 34,6\text{ H }\)

Ответ: 34,6.

Насколько полезной была для вас статья?

У этой статьи пока нет оценок.

Что такое сила трения? — Определение, формула, примеры

Статьи по физике

Трение — это сила, препятствующая движению, когда поверхность одного объекта соприкасается с поверхностью другого. Механическое преимущество машины уменьшается из-за трения, или, другими словами, отношение выхода к входу уменьшается из-за трения. Автомобиль тратит четверть своей энергии на уменьшение трения.

Тем не менее, именно трение в шинах позволяет автомобилю оставаться на дороге, а трение в сцеплении позволяет ему двигаться. Трение — от спичек до машин и молекулярных структур — является одним из самых значительных явлений в физическом мире. В этой статье мы обсудим силу трения и ее различные виды.

Содержание

Определение Расчет силы трения Типы силы трения Решенные примеры Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Сила трения относится к силе, которая сопротивляется скольжению или качению одного твердого тела по другому.

Расчет силы трения

Максимальную силу трения, которую поверхность может воздействовать на объект, можно рассчитать по следующей формуле:

F _трение = µ • F _норма

Для расчета силы трения мы предоставили основные шаги, которые необходимо выполнить при расчете силы трения.

• Найти нормальную силу

Нормальная сила относится к опорной силе, действующей на объект, находящийся в контакте с другим устойчивым объектом. Нормальную силу в большинстве случаев можно рассчитать по следующей формуле:

N = мг

В этой формуле m обозначает массу объекта, а g обозначает ускорение свободного падения. В случае наклонной поверхности прочность нормальной поверхности уменьшается по мере того, как поверхность наклонена больше, поэтому формула принимает вид:

N = мг cos(θ)

θ представляет собой угол, на который наклонена поверхность. В простом расчете вы должны найти нормальную силу 3-килограммового деревянного бруска, лежащего на поверхности, как N = 3 кг × 9,8 Н/кг = 29,4 Н

• Поиск правильного коэффициента

Выбранный вами коэффициент зависит от объекта и конкретной ситуации. Если объект не движется по поверхности, используется коэффициент статического трения.

μ _static , но если рассматриваемый объект движется, используется коэффициент трения скольжения μ slide. Коэффициент также влияет на тип используемых материалов. Например, если бы блок был на кирпичной поверхности, коэффициент был бы 0,6, а если бы он был на чистом деревянном блоке, то он колебался бы от 0,25 до 0,5.

• Расчет силы трения

Как уже упоминалось, формула для силы трения имеет вид F = µN. В качестве примера рассмотрим деревянный брусок массой 3 кг, лежащий на столе, который нужно сдвинуть с места. В этом случае мы рассматриваем коэффициент трения покоя. 0,5 – статический коэффициент древесины.

С указанными деталями мы можем рассчитать нормальную силу как Н = 3 кг × 9,8 Н/кг = 29,4 Н. Теперь, когда у нас есть значения нормальной силы и статического коэффициента трения, мы можем рассчитать силу трения как следует:

F = 0,5 x 29,4 Н = 14,7 Н

Типы силы трения

Трение — это сила, сравнимая с движением между поверхностями, касающимися основания. Между твердыми поверхностями возникает статическое, кинетическое трение, трение скольжения и качения. Жидкостное трение возникает как в жидкостях, так и в газах. Все четыре типа трения описаны ниже:

• Сухое трение
• Жидкостное трение

Сухое трение

Сухое трение описывает реакцию между двумя соприкасающимися твердыми телами, когда они находятся в движении (кинетическое трение) и когда они не находятся в движении (статическое трение). И статическое, и кинетическое трение пропорционально нормальной силе между твердыми телами. Взаимодействие различных веществ моделируется с разными коэффициентами трения. Мы также имеем в виду, что некоторые вещества обладают более высоким сопротивлением движению, чем другие, при одинаковой нормальной силе. Каждое из этих значений определяется экспериментально.

1. Статическое трение

Статическое трение возникает до того, как коробка начнет скользить и двигаться. В этой области сила трения будет равна по масштабу и направлена ​​в противоположную сторону самой выталкивающей силе. По мере увеличения силы толкания увеличивается и сила трения. Если только величина толкающей силы продолжает увеличиваться, коробка в конечном итоге начнет скользить, как только корпус начнет скользить. Тип трения, препятствующий движению корпуса, меняется со статического трения на так называемое кинетическое трение.

Точка непосредственно перед скольжением коробки называется надвигающимся движением. Это также можно принять за максимальную статическую силу трения перед проскальзыванием. Сумма макс. статическая сила трения равна статическому коэффициенту трения, умноженному на нормальную силу, существующую между коробкой и поверхностью. Коэффициент трения — это свойство, которое обычно зависит от обоих материалов и обычно может быть найдено в таблицах.

2. Кинетическое трение

Кинетическое трение обычно возникает за пределами точки прихода движения, когда коробка скользит. При кинетическом трении величина силы трения, противодействующей движению, будет равна произведению кинетического коэффициента на нормальную силу трения между коробкой и поверхностью. Кинетический коэффициент трения также опирается на два соприкасающихся предмета, но он будет почти меньше статического коэффициента трения.

3. Трение качения

Трение качения возникает, когда колесо, шарик или цилиндр свободно катятся по поверхности, как в шариковых и роликовых подшипниках. Основная причина трения качения, по-видимому, заключается в распределении энергии, связанной с скручиванием объектов. Если твердый мяч катится по плоской поверхности, то мяч несколько сжимается, а плоская поверхность несколько вдавливается в местах контакта.

Эластичный изгиб или сжатие, создаваемые в передней части контактирующей части, мешают движению, которое не полностью компенсируется, поскольку ткани возвращаются к типичной форме сзади. Внутренние потери в этих двух веществах аналогичны потерям, препятствующим отскоку мяча обратно на уровень, с которого он был выпущен. Коэффициенты трения скольжения обычно в 100-1000 раз больше, чем коэффициенты трения качения для соответствующих материалов.

4. Трение скольжения

Трение скольжения — это трение, которое действует на объекты, когда они скользят по поверхности. Трение скольжения слабее трения покоя. Вот почему легче перемещать оборудование по полу после того, как вы начнете двигаться, чем привести его в движение. Трение скольжения может быть ценным. Например, когда вы пишете ручкой, вы используете трение скольжения. «Кончик ручки» легко скользит по бумаге, но трения между ручкой и бумагой достаточно, чтобы оставить след.

Жидкостное трение

Жидкостное трение происходит между слоями жидкости, движущимися друг против друга. Этот внутренний конфликт потока называется вязкостью. В повседневных терминах вязкость жидкости называется ее «густотой». Все реальные жидкости обладают некоторым сопротивлением сдвигу и поэтому являются вязкими. Очень полезно использовать понятие идеальной жидкости, которая не сопротивляется сдвигу и не такая вязкая.

Решенные примеры

Q1. Огромную глыбу льда тянут по замерзшему озеру. Ледяная глыба имеет массу 200 кг. Коэффициент трения между двумя ледяными поверхностями мал: μ _k = 0,04. Вычислите силу трения, действующую на кусок льда.

Ответ. На плоской поверхности нормальная сила, действующая на объект, определяется выражением N = mg.

Используя это, мы можем вычислить силу трения:

F _f = мкг

Подставляя данные значения в приведенное выше уравнение, мы получаем,

F _f =0,04 × 200 кг × 9,8 м/с ²

= 78,4 кг-м/с ² или 147 Н.

Q2. Мальчик должен толкать свою лодку по грязи, чтобы добраться до воды на берегу. Коэффициент трения между лодкой и грязью равен μ = 0,600. Если лодка имеет массу 60 кг, вычислите величину силы трения, действующей на лодку.

Ответ. На плоской поверхности нормальная сила, действующая на объект, равна N = мг.

Используя это, мы можем найти силу трения:

F = мкН

F = µ мг Подставляя данные значения в уравнение, получаем F = (0,600)(60,0 кг)(9,80 м/с ² )

F = 352,8 Н

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Q1. Напишите формулу для расчета силы трения.

Ответ. F = мкН

Q2. Что произойдет, если силы трения не будет?

Ответ. Трение предотвращает скольжение объектов. Все будет двигаться к самой нижней точке, если бы не было трения. Ничего масштабировать будет невозможно.

Q3. Что увеличивает трение?

Ответ. Его можно увеличить, сделав поверхности шероховатыми и сильнее прижав их друг к другу (увеличив нормальную силу).

Q4. Зависит ли трение от площади?

Ответ. Трение зависит от формы и площади контактирующей поверхности.

В5. Какое трение наибольшее?

Ответ. Статическое трение

Q6. Вода увеличивает трение?

Ответ. По сравнению с сухим трением наличие небольшого количества воды или влажного воздуха на границе скольжения может привести к увеличению силы трения.

Как площадь поверхности влияет на силу трения

от: Стивен Холцнер и

Обновлен: 03-26-2016

Из книги: Физика I для дюмисов

4444. Исследуйте книгу Купить 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 константу

.

, чтобы связать два:

Обычно это уравнение записывается в следующих терминах:

Это уравнение говорит вам, что при нормальной силе F _N , все, что вам нужно сделать, это умножить его на константу, чтобы получить силу трения, F _F . Эта константа,

называется коэффициентом трения , — это то, что вы измеряете для контакта между двумя конкретными поверхностями. ( Примечание: Коэффициенты — это просто числа; они не имеют единиц измерения. )

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. F _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 в два раза длиннее и в два раза выше другого, они все равно испытывают одинаковую силу трения, когда вы тащите 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.