Сила трения
⚡ Физика · 7 класс
Виды трения: покоя, скольжения и качения, его причины, польза и способы уменьшения.
Что такое сила трения
Сила трения — это сила, которая возникает при соприкосновении поверхностей тел и препятствует их относительному движению. Она направлена вдоль поверхности контакта и препятствует относительному скольжению поверхностей или его возникновению. Без трения мы не смогли бы ходить, а автомобиль не смог бы тронуться с места.
Причины трения
Трение возникает по двум причинам: из-за неровностей (шероховатостей) поверхностей, которые цепляются друг за друга, и из-за притяжения молекул соприкасающихся тел. Шероховатость влияет на трение, но одной её недостаточно: важны материал и состояние контакта.
Виды трения
- Трение покоя удерживает тело на месте, пока оно не начало двигаться.
- Трение скольжения возникает, когда одно тело скользит по поверхности другого.
- Трение качения появляется, когда тело катится; оно обычно меньше трения скольжения.
| Вид трения | Когда возникает | Особенность |
|---|---|---|
| Покоя | Поверхности не скользят относительно друг друга | Подстраивается до предела |
| Скольжения | Поверхности скользят | Приближённо описывается через коэффициент и реакцию опоры |
| Качения | Тело катится | Сопротивление качению часто меньше сопротивления скольжению |
Как изменяют трение
Трение уменьшают смазкой, заменой скольжения качением (подшипники, колёса), полировкой поверхностей. Трение увеличивают, делая поверхности шероховатыми: протектор шин, насыпают песок на скользкую дорогу.
Измерение силы трения
Силу трения скольжения измеряют динамометром, равномерно протягивая брусок по поверхности. Тогда показание динамометра равно силе трения:
F_тяги = F_тр (при равномерном движении)
От чего зависит сила трения
Сила трения скольжения зависит от того, насколько сильно тело прижато к поверхности, и от рода соприкасающихся поверхностей. Чем больше вес тела, прижимающий его к опоре, тем больше сила трения. В простых опытах изменение шероховатости может менять трение; универсальной зависимости только от гладкости нет. При этом сила трения скольжения почти не зависит от площади соприкосновения.
Полезное и вредное трение
Трение бывает полезным и вредным. Благодаря трению мы ходим, не падая, держим предметы в руках, тормозим на велосипеде, а гвоздь держится в доске. Но трение и мешает: оно изнашивает детали машин, нагревает их и заставляет тратить часть энергии впустую. Поэтому в подшипниках скольжение заменяют качением, а трущиеся части смазывают маслом.
Трение в природе и технике
В технике трение качения используют в шариковых и роликовых подшипниках: благодаря им вращение колёс и валов идёт легко. В природе трение помогает корням удерживать растения в почве, а животным — передвигаться. Зимой дороги посыпают песком, чтобы увеличить трение и не дать колёсам проскальзывать.
Частые ошибки. Сила трения препятствует относительному скольжению; её направление не обязательно противоположно движению тела относительно земли. Трение качения меньше трения скольжения, поэтому колесо так полезно. Трение бывает и вредным, и полезным — без него нельзя ходить. Сила трения скольжения почти не зависит от площади соприкосновения поверхностей.
Почему трение и упругость имеют общую природу
Когда брусок лежит на столе, поверхности не проходят друг сквозь друга. Атомы взаимодействуют: при деформации меняются расстояния и распределение электронных оболочек, возникает сопротивление изменению формы. На школьном уровне силы упругости и сухого трения относят к силам электромагнитной природы. Это не означает, что для каждого контакта можно заменить их простой формулой Кулона для двух точечных зарядов: вещество устроено сложнее.
При сдвиге поверхностей важны реальные участки контакта, их деформация и сцепление. Поэтому объяснение только «выступами, цепляющимися друг за друга» неполно. Очень гладкие поверхности тоже могут сильно сцепляться. Школьные коэффициенты описывают суммарный эффект для заданных материалов и условий.
Трение покоя не всегда максимально
На неподвижный брусок тянут горизонтально с силой 2 Н; он не сдвигается. При отсутствии других горизонтальных сил трение покоя равно 2 Н. Если тяга выросла до 3 Н, но брусок остался неподвижен, трение стало 3 Н. Оно подстраивается до предельного значения Fпок ≤ μпокN. Для скольжения в простой модели Fск ≈ μскN. Это разные коэффициенты; нельзя автоматически приравнивать текущую силу покоя к пределу.
Куда направлена сила
Трение препятствует относительному скольжению поверхностей или его возникновению. Оно не обязано быть противоположно скорости тела относительно земли: при обычном шаге трение покоя со стороны земли толкает опорную ногу вперёд. Если неподвижная относительно ленты коробка разгоняется на конвейере, трение может разгонять её вместе с лентой.
Проверка: предельная сила покоя 5 Н, горизонтальная тяга 3 Н, брусок не движется. Трение равно 3 Н, не 5 Н. Когда тяга превысит предел, условие покоя уже не выполняется; дальнейшее движение описывают с учётом скольжения. Коэффициент трения не обязан быть меньше единицы, а его значение зависит от пары поверхностей и состояния контакта.
Справочные материалы: Что такое сила трения — исходная тема. Связанные уроки: Сложение сил, Механическая работа.
Кратко о главном
- Сила трения мешает относительному движению тел.
- Причины: шероховатость поверхностей и притяжение молекул.
- Различают трение покоя, скольжения и качения.
- Трение уменьшают смазкой и катками, увеличивают шероховатостью.
- Силу трения измеряют динамометром при равномерном движении.