Трение, его виды. Трение скольжения и трение качения

Силы трения могут возникать и при непосредственном соприкосновении твердых тел. Для этих сил характерно то, что они действуют вдоль поверхности соприкосновения и всегда направлены так, что препятствуют движению соприкасающихся тел друг относительно друга. Эти силы часто называют силами сухого трения. Мы рассмотрим только два вида сил сухого трения: трение покоя и трение скольжения.

Попробуйте сдвинуть с места какой-нибудь тяжелый предмет, стоящий на полу (рис. 3.34). Если вы будете действовать с малой силой то предмет не сдвинется с места. Он останется в покое потому, что одновременно с силой на него начнет действовать со стороны пола сила трения покоя Эта сила по модулю равна силе но направлена в противоположную сторону и препятствует возникновению движения. Одновременно с изменениями модуля и направления внешней силы сила трения покоя тоже меняет свой модуль и направление. Это первая важная особенность сил трения покоя.

Силы трения покоя могут принимать любые значения: от нуля до некоторой наибольшей величины. Модуль и направление сил трения покоя зависят от характера внешних воздействий, которым подвергаются соприкасающиеся тела. Наибольшее значение силы трения покоя зависит от материала, из которого сделаны тела, от качества обработки и состояния соприкасающихся поверхностей.

Определить наибольшее значение силы трения покоя можно на простом опыте, схема которого изображена на рис. 3.35. Если постепенно увеличивать груз то при некоторой нагрузке возникнет скольжение бруска по поверхности стола. При этом сила трения покоя примет наибольшее возможное значение и станет равна силе тяжести груза

Используя эту же установку, можно подметить и вторую важную особенность сил трения покоя: наибольшее значение силы трения покоя растет пропорционально силе нормального давления прижимающей тела друг к другу. Действительно, нагружая брусок дополнительным грузом (рис. 3.36), мы будем увеличивать силу нормального давления и наблюдать увеличение наибольшей силы трения, пропорциональное изменению Поэтому можно записать:

Здесь сила нормального давления; постоянная коэффициент трения.

Наконец, с помощью этой же установки можно найти третью особенность сил трения покоя (рис. 3.37): при неизменной силе нормального давления наибольшее значение силы трения не зависит от размеров площади соприкосновения тел.

Совершенно так же можно определить и особенности сил трения скольжения. Для этого нужно подобрать груз так, чтобы после начала скольжения тело двигалось равномерно. При этом сила натяжения нити будет по модулю равна силе трения скольжения.

Ряд таких простых опытов позволяет установить все основные свойства сил трения скольжения. Опыты показывают, что сила трения скольжения оказывается немного меньше, чем наибольшая сила трения покоя.

Сила трения скольжения зависит от материала тел и от качества соприкасающихся поверхностей. Она также пропорциональна силе нормального давления, прижимающей тела друг к другу, и не зависит от размеров площади соприкосновения. Сила трения скольжения всегда направлена в сторону, противоположную направлению скорости относительного движения тел. Сила трения скольжения немного, но довольно сложно меняется с увеличением этой скорости.

Решая задачи, обычно вводят ряд упрощений. Например, пренебрегают разницей между наибольшей силой трения покоя и силой трения скольжения и считают их равными друг другу; или пренебрегают изменениями силы трения скольжения при изменениях скорости. Считают, что сила трения скольжения по своему значению остается постоянной при всех скоростях. Принимая эти упрощения, в дальнейшем при расчетах мы будем применять формулу и для определения силы трения скольжения.

Трение покоя и трение скольжения играют очень важную роль в технике, и в обыденной жизни. Очень часто в трении видят только помеху, не позволяющую создавать и сохранять неизменными движения тел. Но в то же время без существования трения невозможно было бы движение тел по поверхности земли. Используя трение колес о землю или о рельсы, автомобили и поезда приходят в движение.

Поэтому в технике решают задачу не только о том, как уменьшить трение там, где оно мешает движению, но и как его увеличить там, где оно помогает создать или передать движение. Например, тепловозы и электровозы делают возможно более тяжелыми. Сцепления в автомобиле передают движения от двигателя к колесам с помощью сил трения, которые должны быть большими. Чтобы добиться этого, диски сцепления автомобиля прижимают друг к другу сильными пружинами (рис. 3.38). Этим создают большую силу нормального давления и добиваются значительного увеличения сил

трения покоя, передающих движение от одной части машины к другой.

Так же поступают, когда силы трения используют для соединения деталей в различных механизмах. Для этого детали впрессовывают друг в друга (рис. 3.39). При этом возникают упругие силы, создающие большое нормальное давление на поверхность впрессованной детали. За счет этого в месте соединения развиваются необходимые большие силы трения покоя. Такие же силы трения удерживают на месте любую туго завинченную гайку (рис. 3.40).

В дальнейшем при решении задач мы будем использовать уравнение как дополнительное, выражающее особые свойства сил трения скольжения.

Силой трения называют силу, которая возникает при движении одного тела по поверхности другого. Она всегда направлена противоположно направлению движения. Сила трения прямо пропорциональна силе нормального давления на трущиеся поверхности и зависит от свойств этих поверхностей. Законы трения связаны с электромагнитным взаимодействием, которое существует между телами.

Различают трение внешнее и внутреннее .

Внешнее трение возникает при относительном перемещении двух соприкасающихся твердых тел (трение скольжения или трение покоя).

Внутреннее трение наблюдается при относительном перемещении частей одного и того же сплошного тела (например, жидкость или газ).

Различают сухое и жидкое (или вязкое ) трение.

Сухое трение возникает между поверхностями твердых тел в отсутствие смазки.

Жидким (вязким) называется трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой или ее слоями.

Сухое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения .

Рассмотрим законы сухого трения (рис. 4.5).

Рис. 4.5

Рис. 4.6

Подействуем на тело, лежащее на неподвижной плоскости, внешней силой , постепенно увеличивая ее модуль. Вначале брусок будет оставаться неподвижным, значит, внешняя сила уравновешивается некоторой силой , направленной по касательной к трущейся поверхности, противоположной силе . В этом случае и есть сила трения покоя.

Установлено, что максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения тел и приблизительно пропорциональна модулю силы нормального давления N :

μ 0 – коэффициент трения покоя , зависящий от природы и состояния трущихся поверхностей.

Когда модуль внешней силы, а следовательно, и модуль силы трения покоя превысит значение F 0 , тело начнет скользить по опоре – трение покоя F тр.пок сменится трением скольжения F ск (рис. 4.6):

F тр = μ N ,

(4.4.1)

Где μ – коэффициент трения скольжения.

Трение качения возникает между шарообразным телом и поверхностью, по которой оно катится. Сила трения качения подчиняется тем же законам, что и сила трения скольжения, но коэффициент трения μ ; здесь значительно меньше.

Подробнее рассмотрим силу трения скольжения на наклонной плоскости (рис. 4.7).

На тело, находящееся на наклонной плоскости с сухим трением, действуют три силы: сила тяжести , нормальная сила реакции опоры и сила сухого трения . Сила есть равнодействующая сил и ; она направлена вниз, вдоль наклонной плоскости. Из рис. 4.7 видно, что

F = mg sin α, N = mg cos α.

Рис. 4.7

Если – тело остается неподвижным на наклонной плоскости. Максимальный угол наклона α определяется из условия (F тр) max = F или μ mg cosα = mg sinα, следовательно, tg α max = μ, где μ – коэффициент сухого трения.

F тр = μN = mg cosα,
F = mg sinα.

При α > α max тело будет скатываться с ускорением

a = g (sinα - μ cosα),
F ск = ma = F - F тр.

Если дополнительная сила F вн, направленная вдоль наклонной плоскости, приложена к телу, то критический угол α max и ускорение тела будут зависеть от величины и направления этой внешней силы.

Внешнее трение твердого тела по твердому телу называется сухим трением.

Величина трения зависит от состояния поверхности соприкос­новения и скорости относительного перемещения тел.

В возникновении сил трения существенную роль играют силы молекулярного притяжения, действующие между молекулами со­прикасающихся тел, и механические силы, которые возникают в за­цеплениях отдельных выступов, всегда имеющихся даже на хорошо отшлифованных поверхностях. Действительное соприкосновение тел происходит при этом на отдельных участках, общая площадь которых значительно меньше видимой площади соприкосновения. На этих участках даже малые нагрузки создают высокие местные давления, вызывающие деформации поверхностного слоя и взаим­ное - внедрение отдельных микрочастей тел.

Таким образом, сила сухого трения обусловлена следующими основными факторами: упругой и пластической деформациями неровностей при сцеплении и действием молекулярных сил. Строгой теории сил трения до сих пор не существует.

Различают два вида сухого трения: трение скольжения и трение качения. Первое возникает при движении груза по плоскости, оси колеса во втулке, гвоздя, вбиваемого в доску; второе - при дви­жении колеса автомобиля, велосипеда по поверхности Земли, шариков шарикоподшипника в оправе. (Трение качения мы рассмотрим в главе о вращательном движении твердых тел.)

Поместим на горизонтальную поверхность стола брусок, при­крепим к его торцу нить и перекинем ее через блок (рис.3).

К ви­сящему концу нити будем прикладывать последовательно возрастаю­щие нагрузки. Брусок останется в покое при любых нагрузках, меньших по весу некоторого значения G макс. Следовательно, на брусок, пока он покоится, действует в направлении, противополож­ном приложенной силе, сила трения:
Сила трения, действующая между соприкасающимися телами в состоянии покоя, называетсясилой трения покоя. Она равна по величине и противоположна по направлению силе, понуждающей тело к движению, и меняется по величине при ее из­менении. Существование сил трения покоя, видимо, связано с проявлением сил межмолекулярного взаимодействия и с наличием еще до начала скольжения малых обрати­мых деформаций неровностей по­верхности.

При достижении внешней силой предельного значения силы трения покоя F макс возникает скольжение тел. Законы трения скольжения были сформулированы французским ученым Амонтоном (1699 г.) и не­зависимо от него Кулоном (1781 г.). Величина максимальной силы трения покоя пропорциональна силе реакции R n , действующей нормально к поверхностям сопри­косновения тел:

(2)

где - коэффициент трения покоя, зависящий только от свойств поверхностей соприкасающихся тел. Выражение (2) называютзаконом Амонтона.

Значение коэффициента трения проще всего найти методом пре­дельного угла,. Для этого измеряют угол.наклона плоскости, при котором начинается скольжение тела, лежащего на ней (рис. 4).

Рис.4

Тело и плоскость изготовляют из материалов, для которых хотят найти значение . В момент начала скольжения тела по плоскости сила трения равна тангенциальной (направленной параллельно плоскости) составляющей силы тяжести:
. Реакция плоскости:
, гдеm -масса тела.

Отсюда в соответствии с формулой (2)

(3)

т. е. коэффициент трения покоя численно равен тангенсу предель­ного угла ().

Строго говоря, коэффициент трения покоя непостоянен, он меняется в зависимости от давления между телами, от температуры и т. п. Поэтому закон Амонтона можно рассматривать лишь как приближенный. Если сила, действующая на тело, больше предельного значения силы трения покоя F > F макс , то тело приобретает ускорение и сила трения покоя переходит в силу трения скольжения. В некоторых специальных случаях (трение металлических тел с очищенной поверхностью и т. п.) сила трения скольжения для сравнительно небольшого интервала скоростей примерно равна предельной силе трения покоя и не зависит от скорости движения. График зависи­мости силы трения F тр от скорости v для этого случая дан на рисун­ке 5. Эта зависимость называется законом Кулона. Для относитель­ной скорости, равной нулю (v =0), сила трения F тр не однозначна и может принимать любые значения от + F макс до - F макс . Следова­тельно, для кулоновских сил трения коэффициент трения опреде­ляет величину не только максимальной силы трения покоя, но и величину силы трения скольжения.

Рис.5
Рис.6

В общем же случае сила трения скольжения зависит от относительной скорости тел. Характер этой зависимости изображен на рисунке 6. При скорости v =0 сила трения может принимать любые значения, по абсолютной величине меньшие или равные F макс, Для некоторого весьма малого интервала значений скорости сила трения приближенно постоянна, а затем уменьшается, достигает минимума и начинает возрастать.

Измерение сил трения скольжения производят с помощью при­боров, называемых трибометрами. Принцип действия трибометра: одно из испытуемых тел А (рис.1) приводится в движение относительно второго Б , к телу Б (контртело) прикрепляется динамометр, который измеряет тангенциальную силу, необходимую для удержания контртела в покое.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Из второго уравнения:

Сила трения:

Подставив выражение для силы трения в первое уравнение, получим:

При торможении до полной остановки скорость автобуса падает от значения до нуля, поэтому автобуса:

Приравнивая правые части соотношений для ускорения автобуса при аварийном торможении, получим:

откуда время до полной остановки автобуса:

Ускорение свободного падения м/с

Подставив в формулу численные значения физических величин, вычислим:

Ответ Автобус остановится через c.

ПРИМЕР 2

Задание	Небольшое тело положили на наклонную плоскость, составляющую угол с горизонтом, и отпустили. Какое расстояние пройдет тело за 3 с, если коэффициент трения между ним и поверхностью 0,2?
Решение	Выполним рисунок и укажем все силы, действующие на тело. На тело действуют сила тяжести , сила реакции опоры и сила трения Выберем систему координат, как показано на рисунке, и спроектируем это векторное равенство на оси координат: Из второго уравнения:

Виды сухого трения. Трение покоя – сила между покоящимися друг относительно друга телами. Трение скольжения – сила, возникающая при скольжении одного тела по поверхности другого. Трение качения – возникает, если одно тело катится по поверхности другого тела. При движении твердых тел в жидкостях возникает сила вязкого трения.

Слайд 3 из презентации «Сила трения 7 класс» . Размер архива с презентацией 1282 КБ.

Физика 7 класс

краткое содержание других презентаций

«Давление газа 7 класс» - Работу выполнила: ученица 7 «а» класса Магомедова Бажи. От температуры От концентрации (числа частиц в единице объема) От массы частиц. 7 класс. Давление газа. Давление в газах. Содержание. Давление газа зависит:

«Плавание судов физика» - Ватерлиния. Водоизмещение. Содержание: Плавание судов. Грузоподъёмность. Теперь давайте рассмотрим физическое явление -. Осадка. Принцип плавания судов. Принцип плавания судов. 2. Характеристики судна: осадка; ватерлиния; водоизмещение; грузоподъёмность. Водоизмещение судна? определяется суммированием веса порожнего судна и дедвейта.

«7 класс урок Сила трения» - Тема урока:»сила трения». Задание 1. Определить зависимость силы трения от массы тела. Практическая работа «Измерение силы. Ход урока. Fтр. Что делать? 7 класс. СИЛА ТРЕНИЯ ПОКОЯ возникает при трении покоя. Сила трения.

«Задачи на давление» - M=60 кг. 2. Решение: Сила. 5. (Па). 10. S=400 см2. Единицы давления. Давление =. F. Н. Дано:

«Физика 7 класс Давление» - Барометр, анероид. 11.Насосы 12.Выталкивающая сила. Н 0,57 кН = ? гН = ? Па. Н 380 Н = ? кН II.вариант: 1.Определить барометром атмосферное давление в Па, кПа, мм.рт.ст. 2.Выразить: 3 н/см2 = ? Воздухоплавание. IV. Почему газы оказывают давление? Давление жидкости на дно сосуда. Формула для вычисления давления? Ход урока: I.Организационный момент II.

«Давление 7 класс» - Тест. Уменьшение давления в технике. Сила. 300000 кПа. Закладка фундамента здания. Приложен к опоре или подвесу. Сила тяжести. Увеличение давления в природе. Повторите 10 раз. Как увеличить давление Как уменьшить давление. Сила – мера взаимодействия тел. P=F/S. Жало насекомого. Вес тела. Сила, с которой Земля притягивает к себе тело. Единица давления – ньютон на квадратный метр, называется Паскалем.