Site Loader

Закон трения — это… Что такое Закон трения?

Силы трения скольжения — силы, возникающие между соприкасающимися телами при их относительном движении. Если между телами отсутствует жидкая или газообразная прослойка (смазка), то такое трение называется сухим. В противном случае, трение называется «жидким». Характерной отличительной чертой сухого трения является наличие трения покоя.

Опытным путем установлено, что сила трения зависит от силы давления тел друг на друга (силы реакции опоры), от материалов трущихся поверхностей, от скорости относительного движения и не зависит от площади соприкосновения. (Это можно объяснить тем, что никакое тело не является абсолютно ровным. Поэтому истинная площадь соприкосновения гораздо меньше наблюдаемой. Кроме того, увеличивая площадь мы уменьшаем удельное давление тел друг на друга.) Величина, характеризующая трущиеся поверхности, называется коэффициентом трения, и обозначается чаще всего латинской буквой «k» или греческой буквой «μ». Она зависит от природы и качества обработки трущихся поверхностей. Кроме того, коэффициент трения зависит от скорости. Впрочем, чаще всего эта зависимость выражена слабо, и если большая точность измерений не требуется, то k можно считать постоянным.

В первом приближении величина силы трения скольжения может быть рассчитана по формуле:

Ffr = kN

где N — сила нормальной реакции опоры.

По физике взаимодействия трение принято разделять на:

  • Сухое, когда взаимодействующие твердые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками — очень редко встречающийся на практике случай. Характерная отличительная черта сухого трения — наличие значительной силы трения покоя.
  • Жидкостное, при взаимодействии тел, разделённых слоем жидкости или газа (смазки) различной толщины — как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость;
  • Смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
  • Граничное, когда в области контакта могут содержатся слои и участки различной природы (окисные пленки, жидкость и т. д.) — наиболее распространенный случай при трении скольжения.

В связи со сложностью физико-химических процессов, протекающих в зоне фрикционного взаимодействия, процессы трения принципиально не поддаются описанию с помощью методов классической механики.

При механических процессах всегда происходит в большей или меньшей степени преобразование механического движения в другие формы движения материи (чаще всего в тепловую форму движения). В последнем случае взаимодействия между телами носят названия сил трения.

Опыты с движением различных соприкасающихся тел (твердых по твердым, твердых в жидкости или газе, жидких в газе и т. п.) с различным состоянием поверхностей соприкосновения показывают, что силы трения проявляются при относительном перемещении соприкасающихся тел и направлены против вектора относительной скорости тангенциально к поверхности соприкосновения. При этом всегда происходит нагревание взаимодействующих тел.

Силами трения называются тангенциальные взаимодействия между соприкасающимися телами, возникающие при их относительном перемещении. Силы трения возникающие при относительном перемещении различных тел, называются силами внешнего трения.

Силы трения возникают и при относительном перемещении частей одного и того же тела. Трение между слоями одного и того же тела называется внутренним трением.

В реальных движениях всегда возникают силы трения большей или меньшей величины. Поэтому при составлении уравнений движения, строго говоря, мы должны в число действующих на тело сил всегда вводить силу трения F тр.

Тело движется равномерно и прямолинейно, когда внешняя сила уравновешивает возникающую при движении силу трения.

Для измерения силы трения, действующей на тело, достаточно измерить силу, которую необходимо приложить к телу, чтобы оно двигалось без ускорения.

См. также

Wikimedia Foundation. 2010.

Закон трения Википедия

Изображения сил, действующих на скользящее тело. Изображения сил, действующих на тело, находящееся на ровной и наклонной плоскости.

Сила трения скольжения — сила, возникающая между соприкасающимися телами при их относительном движении.

Опытным путём установлено, что сила трения зависит от силы давления тел друг на друга (силы реакции опоры), от материалов трущихся поверхностей, от скорости относительного движения, но

не зависит от площади соприкосновения[1].

Величина, характеризующая трущиеся поверхности, называется коэффициентом трения, и обозначается латинской буквой k{\displaystyle k} или греческой буквой μ{\displaystyle \mu }. Она зависит от природы и качества обработки трущихся поверхностей. Кроме того, коэффициент трения зависит от скорости. Впрочем, чаще всего эта зависимость выражена слабо, и если большая точность измерений не требуется, то μ{\displaystyle \mu } можно считать постоянным. В первом приближении величина силы трения скольжения может быть рассчитана по формуле[1]:

F=μN{\displaystyle F=\mu N}

μ{\displaystyle \mu } — коэффициент трения скольжения,

N{\displaystyle N} — сила нормальной реакции опоры.

Силами трения называются тангенциальные взаимодействия между соприкасающимися телами, возникающие при их относительном перемещении.

Опыты с движением различных соприкасающихся тел (твёрдых по твёрдым, твёрдых в жидкости или газе, жидких в газе и т. п.) с различным состоянием поверхностей соприкосновения показывают, что силы трения проявляются при относительном перемещении соприкасающихся тел и направлены против вектора относительной скорости тангенциально к поверхности соприкосновения. При этом всегда в большей или меньшей степени происходит преобразование механического движения в другие формы движения материи — чаще всего в тепловую форму движения, и происходит нагревание взаимодействующих тел.

Независимость от площади[ | ]

Так как никакое тело не является абсолютно ровным, сила трения не зависит от площади соприкосновения, и истинная площадь соприкосновения гораздо меньше наблюдаемой. На самом деле, площадь соприкосновения, казалось бы, ровных поверхностей может находиться в пределах 0,01%−0,001%{\displaystyle 0,01\%-0,001\%} от всей мнимой площади соприкосновения.

[2] А в случае поверхностей максимально гладких начинает возникать межмолекулярное притяжение.

Обычно это демонстрируется примером:

Два цилиндра из мягких металлов соединяют плоскими частями, а затем с легкостью отрывают. После этого два цилиндра соединяют и немного двигают относительно друг друга. При этом все неровности поверхности притираются друг к другу, образуя максимальную площадь соприкосновения: появляются силы межмолекулярного притяжения. А после разъединить эти два цилиндра становится очень сложно.

Типы трения скольжения[ |

Закон сохранения энергии. Работа силы трения. Видеоурок. Физика 10 Класс

На данном уроке мы узнаем, в чём заключается закон сохранения энергии и что такое полная механическая энергия. Также мы рассмотрим работу ещё одной механической силы, которая называется сила трения скольжения, и обобщим знания обо всех трёх разновидностях сил в природе

В механике рассматриваются два вида энергии: кинетическая и потенциальная. Кинетическая энергия связана с движением тела, потенциальная – со взаимодействием тел или частей одного и того же тела. На этом уроке мы получим ответ на вопрос: какую практическую ценность несёт в себе понятие энергия?

Тела, взаимодействующие только друг с другом, образуют замкнутую систему тел. Она может обладать кинетической и потенциальной энергией, которые могут изменяться с течением времени.

Если тела, составляющие замкнутую механическую систему, взаимодействуют между собой только посредством сил тяготения и упругости, то работа этих сил равна изменению потенциальной энергии тел, взятому с противоположным знаком.

,

где  – потенциальная энергия в конечный момент времени;  – потенциальная  энергия в начальный момент времени.

По теореме о кинетической энергии эта работа равна изменению кинетической энергии тел.

,

где  – кинетическая энергия в конечный момент времени;

 – кинетическая энергия в начальный момент времени.

Приравняем два выражения:

 

Из данной формулы видно, что кинетическая и потенциальная энергия системы изменяются синхронным образом, то есть увеличение одной приведёт к уменьшению другой, и эти изменения равны друг другу с точностью до знака (происходит превращение энергии из одной разновидности в другую). Следовательно, сумма потенциальной и кинетической энергии является величиной постоянной, называемой полной механической энергией.

 

Для примера, в системе тел, в которой действует сила тяжести (система «Земля – падающее тело» или «Земля – брошенное вверх тело») (см. Рис. 1), полная механическая энергия равна:

 

Тела, взаимодействующие силами тяжести

Рис. 1. Тела, взаимодействующие силами тяжести

Если между телами системы действует сила упругости (см. Рис. 2), то полная механическая энергия запишется так:

Тела, взаимодействующие силами тяжести

Сила трения и второй закон Ньютона

В этой статье задачи объединены темой составления уравнений по второму закону Ньютона, но в то же время применяем и полученные знания о силе трения (особенно – чем сила трения покоя отличается от силы трения скольжения), и вспоминаем нормальное ускорение и центробежную силу.

 

Задача 1. Тележка массой M=20 кг может катиться по гладкой горизонтальной поверхности. Не тележке лежит брусок m =2 кг . Коэффициент трения между бруском и тележкой \mu =0,25

. К бруску приложена сила: а) F_1= 1.96 Н; б) F_2=19,4 Н. Найти силу трения между бруском и тележкой и ускорения бруска и тележки в обоих случаях.

Пока сила, с которой тянут брусок, меньше силы трения скольжения, брусок будет неподвижен относительно тележки. Зато тележка не будет оставаться неподвижной, так как сила действует на нее через брусок.

трение

К задаче 1

Ускорение тележки:

    \[(M+m)a_t=F\]

    \[a_t=\frac{F}{M+m}\]

    \[a=\frac{1,96}{22}=0,09\]

Определим силу трения бруска (это сила трения покоя, пока брусок не скользит по тележке):

    \[F_{tr br}= ma_t=\frac{Fm}{M+m}\]

    \[F_{tr br}= 2\cdot 0,09=0,18\]

Если сила F больше силы трения F_{tr br}, то брусок будет скользить по поверхности тележки с ускорением:

Сила трения скольжения бруска:

    \[F_{tr}=\mu m g\]

    \[F_{tr}=0,25 \cdot 2 \cdot10=4\]

    \[ma_{br}=F- F_{tr}=F- \mu m g\]

    \[a_{br}=\frac{F-\mu m g}{m}=\frac{F}{m}-\mu g\]

    \[a_{br}=\frac{12}{2}-2,5=7,7\]

На тележку действует сила трения, ускорение тележки во втором случае таково:

    \[a_t=\frac{F_{tr}}{M}=\frac{\mu m g}{M}=\frac{4}{20}=0,2\]

Ответ: в первом случае a_t=a_{br}=0,09 м/с^2F_{tr br}= 0,18 Н, во втором случае F_{tr}=4 Н, a_{br}=7,7 м/с^2a_t=0,2 м/с^2.

 

 

Задача 2. Горизонтальный диск вращают с угловой скоростью \omega=20 рад/с вокруг вертикальной оси.  На поверхности диска в гладкой радиальной канавке находятся грузы 1 и 2 массами m_1=0,2 и m_2=0,1  кг. Радиусы их вращения R_1=0,1 м и R_2=0,2 м. Найти силы натяжения нитей.

трение

К задаче 2

Рассмотрим рисунок. Трения нет, так как по условию канавка гладкая.  Запишем нормальные ускорения для обоих грузов:

трение

Обозначим все силы

    \[a_{n1}=\omega^2 R_1\]

    \[a_{n2}=\omega^2 R_2\]

Тогда для второго груза:

    \[m_2 a_{n2}=T_2\]

    \[T_2= m_2\omega^2 R_2=0,1 \cdot 400\cdot 0,2=8\]

Для первого груза:

    \[T_1=m_1 a_{n1}+T_2=0,2 \cdot400\cdot 0,1+8=16\]

Ответ: T_1=16 Н, T_2=8 Н.
Задача 3. Санки массой M =2 кг тянут за веревку с силой F =32,56 Н, направленной горизонтально. На санках сидит ребенок массой m =20 кг. Коэффициент трения полозьев о снег  \mu =0.1. Найти силу трения F_{tr}, действующую на ребенка.

трение

К задаче 3

Сила трения, действующая на санки, равна:

    \[F_{tr san}=(m+M)g \mu\]

Тогда второй закон Ньютона запишем в такой форме:

    \[(m+M)a=F- F_{tr san}\]

Определяем ускорение:

    \[a=\frac{ F- F_{tr san}}{m+M}=\frac{F-(m+M)g \mu}{m+M}=\frac{F}{m+M}-\mu g\]

Тогда на ребенка действует сила трения:

    \[F_{tr}=ma=\frac{Fm}{m+M}-\mu m g\]

    \[F_{tr}=\frac{32,56 \cdot 20}{22}-0,1 \cdot 20 \cdot9,8=29,6-19,6=10\]

Ответ: 10 Н

 

Сила трения Википедия

Тре́ние — процесс механического взаимодействия соприкасающихся тел при их относительном смещении в плоскости касания (внешнее трение) либо при относительном смещении параллельных слоёв жидкости, газа или деформируемого твёрдого тела (внутреннее трение, или вязкость). Далее в этой статье под трением понимается лишь внешнее трение. Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется механикой фрикционного взаимодействия, или трибологией.

Трение главным образом имеет электронную природу при условии, что вещество находится в нормальном состоянии. В сверхпроводящем состоянии вдалеке от критической температуры основным «источником» трения являются фононы, а коэффициент трения может уменьшиться в несколько раз[ссылка 1].

Сила трения[ | ]

Сила трения — это сила, возникающая при соприкосновении двух тел и препятствующая их относительному движению. Причиной возникновения трения является шероховатость трущихся поверхностей и взаимодействие молекул этих поверхностей. Сила трения зависит от материала трущихся поверхностей и от того, насколько сильно эти поверхности прижаты друг к другу. В простейших моделях трения (закон Кулона для трения) считается, что сила трения прямо пропорциональна силе нормальной реакции между трущимися поверхностями. В целом же, в связи со сложностью физико-химических процессов, протекающих в зоне взаимодействия трущихся тел, процессы трения принципиально не поддаются описанию с помощью простых моделей классической механики.

Разновидности силы трения[ | ]

При наличии относительного движения двух контактирующих тел силы трения, возникающие при их взаимодействии, можно подразделить на:

  • Трение скольжения — сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения.
  • Трение качения — момент сил, возникающий при качении одного из двух контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого.
  • Трение покоя — сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга. Возникает при микроперемещениях (например, при деформации) контактирующих тел. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного относительного движения.
  • Трение верчения — момент силы, возникающий между двумя контактирующими телами при вращении одного из них относительно другого и направленный против вращения. Определяется формулой: M=pN{\displaystyle M=pN}, где N{\displaystyle N} — нормальное давление, p{\displaystyle p} — коэффициент трения верчения, имеющий размерность длины[1].

Характер фрикционного взаимодействия[ | ]

В физике взаимодействие трения принято разделять на:

  • сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками (в том числе и твёрдыми смазочными материалами) — очень редко встречающийся на практике случай, характерная отличительная черта сухого трения — наличие значительной силы трения покоя;
  • граничное, когда в области

Силы трения скольж.Сила упругости.Закон Гука

Природа сил трения – силы трения возникают благодаря существованию сил взаимодействия между молекулами и атомами соприкасающихся тел.

Особенности сил трения:

  • возникают при соприкосновении двух движущихся тел;
  • действуют параллельно поверхности соприкосновения тел;
  • направлены против движения тела.

Виды силы трения:    

При скольжении сила трения скольжения зависит не только от состояния трущихся поверхностей, но и от относительной скорости движения тел.

Замечено, что тяжелый предмет, например ящик, трудно сдвинуть с места, а потом двигать его становится легче. Это и объясняется уменьшением силы трения при появлении скольжения с малой скоростью. При слишком больших относительных скоростях сила трения скольжения приблизительно равна максимальной силе трения покоя:

Fтр Fтр.макс = N.

Максимальное Fтр.максзначение модуля силы трения покоя пропорционально модулю силы нормальной реакции опоры.(Этот закон впервые установил экспериментально фр. физик Кулон).    , где  (греческая буква, читается «мю») – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения. Он характеризует обе трущиеся поверхности и зависит не только от материала этих поверхностей, но и от качества их обработки. Коэффициент трения не имеет размерность, определяется экспериментально. 

Эти значения коэффициента трения относятся к случаю, когда поверхности тел не смазаны. Смазка (минеральное масло) существенно уменьшает силу трения .

Сила упругости.  При любом виде деформации возникает сила, которая стремиться вернуть тело в первоначальное состояние — эта сила и называется силой упругости

Деформация — изменение формы и объема тела под действием внешних сил. Вида деформации: растяжение, сжатие, кручение, изгиб, сдвиг.

Природа сил упругости — атомы в твердом теле расположены таким образом, что силы отталкивания одноименных электрических зарядов и силы притяжения разноименных — уравновешивают друг друга. Силы упругости по своей природе являются электромагнитными силами. В результате деформации электрические силы стремятся возвратить атомы в первоначальное состояние.

Сила упругости всегда определяется по закону Гука: При упругой деформации растяжения (или сжатия) удлинение тела прямо пропорционально приложенной силе. где k — коэффициент упругости или жесткости. 

Учитывая, что проекция силы упругости деформированного тела на ось X  и координата x имеют противоположные знаки, то можно записать:

Закон Гука хорошо выполняется только при упругих деформациях, при которых x мало.

На рисунке представлены деформация растяжения (x > 0) и сжатия (x < 0). Внешняя сила 

 

Силы трения и закон сохранения энергии — урок. Физика, 8 класс.

Присматриваясь к движению подпрыгивающего на земле мячика, можно обнаружить, что после каждого удара он поднимается на несколько меньшую высоту, чем раньше, то есть полная механическая энергия не остаётся постоянной, а понемногу убывает.

 

 

Причина заключается в возникновении сил трения: сопротивления воздуха, в котором движется мячик, и внутреннего трения в самом материале мячика и поверхности, на которой он подпрыгивает.

При наличии трения закон сохранения механической энергии всегда нарушается, и полная энергия тел уменьшается. За счёт этой убыли энергии и совершается работа против сил трения.

Пример:

При движении лодки, которую оттолкнули от берега пруда, потенциальная энергия лодки остаётся постоянной, но из-за сопротивления воды уменьшается скорость движения лодки, то есть её кинетическая энергия.

В природе все движения (за исключением движений в вакууме, например, движений небесных тел) сопровождаются трением. Поэтому при таких движениях закон сохранения механической энергии нарушается, и это нарушение происходит всегда в одну сторону — в сторону уменьшения полной механической энергии. Совершённая против сил трения работа не переходит полностью в кинетическую или потенциальную энергию тел. Из-за этого суммарная механическая энергия тел уменьшается.

Однако работа против сил трения не исчезает бесследно. Прежде всего, движение тел при наличии трения ведёт к их нагреванию. Например, первобытные люди добывали огонь быстрым трением сухих кусков дерева друг о друга.

 

 

Нагревание происходит также при совершении работы против сил внутреннего трения, например, при многократном изгибании проволоки.

Нагревание при движении, связанном с преодолением сил трения, часто бывает очень сильным. Так, при торможении гоночного автомобиля тормозные диски сильно нагреваются.

 

 

При спуске корабля со стапелей на воду для уменьшения трения стапеля обильно смазываются, и всё же нагревание так велико, что смазка дымится, а иногда даже загорается.

 

 

При движении тел в воздухе с небольшими скоростями, например, при движении брошенного камня, сопротивление воздуха невелико, на преодоление сил трения затрачивается небольшая работа, и камень практически не нагревается. Но быстро летящая пуля разогревается значительно сильнее.

Мелкие метеориты, влетающие с огромными скоростями (десятки километров в секунду) в атмосферу Земли, испытывают такую большую силу сопротивления среды, что полностью сгорают в атмосфере.

 

 

Нагревание в атмосфере искусственного спутника Земли, возвращающегося на Землю, так велико, что на нём приходится устанавливать специальную тепловую защиту.

 

 

Кроме нагревания, трущиеся тела могут испытывать и другие изменения. Например, они могут измельчаться, растираться в пыль, может происходить плавление, то есть переход тел из твёрдого в жидкое состояние: кусок льда может расплавиться в результате трения о другой кусок льда или о какое-либо иное тело.

Если движение тел связано с преодолением сил трения, то оно сопровождается двумя явлениями:
1. сумма кинетической и потенциальной энергий всех участвующих в движении тел уменьшается;
2. происходит изменение состояния тел, в частности может происходить нагревание.

Помимо потенциальной энергии тяготения и упругости и кинетической энергии тело обладает и энергией, зависящей от его состояния — внутренней энергией.

 

Обрати внимание!

Внутренняя энергия тела зависит от его температуры, от того, является ли тело твёрдым, жидким или газообразным, как велика его поверхность, является ли оно сплошным или мелко раздробленным и так далее. В частности, чем температура тела выше, тем больше его внутренняя энергия.

Хотя при движениях, связанных с преодолением сил трения, механическая энергия систем движущихся тел уменьшается, но зато возрастает их внутренняя энергия. Так, при торможении поезда уменьшение его кинетической энергии сопровождается увеличением внутренней энергии тормозных колодок, бандажей колёс, рельсов, окружающего воздуха и так далее в результате нагревания этих тел.

Это относится также и к тем случаям, когда силы трения возникают внутри тела, например, при разминании куска воска, при неупругом ударе свинцовых шаров, при перегибании куска проволоки.

 

Обрати внимание!

Силы трения занимают особое положение в вопросе о законе сохранения механической энергии.

Если сил трения нет, то закон сохранения механической энергии соблюдается: полная механическая энергия системы остаётся постоянной.

Если же действуют силы трения, то энергия уже не остаётся постоянной, а убывает при движении, но при этом всегда растёт внутренняя энергия.

С развитием физики обнаруживались всё новые виды энергии: световая энергия, энергия электромагнитных волн, химическая энергия, проявляющаяся при химических реакциях, ядерная энергия.

Оказалось, что совершаемая над телом работа равна сумме всех видов энергии тела; работа же, совершаемая некоторым телом над другими телами, равна убыли суммарной энергии данного тела.

Для всех видов энергии возможен переход энергии из одного вида в другой, переход энергии от одного тела к другому, но что при всех таких переходах общее — энергия всех видов остаётся всё время строго постоянной. В этом заключается всеобщность закона сохранения энергии.

Хотя общее количество энергии остаётся постоянным, количество полезной для нас энергии может уменьшаться и в действительности постоянно уменьшается. Переход энергии в другую форму может означать переход её в бесполезную для нас форму. В механике чаще всего это — нагревание окружающей среды, трущихся поверхностей и тому подобное. Такие потери не только невыгодны, но и вредно сказываются на самих механизмах.

Характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии, которая определяется отношением полезно использованной энергии Eпол к общему (суммарному) количеству энергии Eобщ, полученному системой, называется коэффициентом полезного действия (КПД) этой системы.

Обозначается КПД буквой η, измеряется чаще всего в процентах и, согласно определению, может быть найден по формуле:

 

η=EполEобщ⋅100%.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *