Условия и причины возникновения силы трения

Физика — наука, изучающая свойства природы и строение веществ. Её особенность в том, что физические законы устанавливаются опытным путём. Одной из наиболее интересных задач науки является изучение причин возникновения силы трения. По-другому такое явление называется фрикционным взаимодействием. Этот процесс играет важную роль не только в технике, но и в жизни на Земле.

Оглавление:

• Общие сведения
• Покой и скольжение
• Трение качения
• Применение силы

Общие сведения

Механика — раздел физики, изучающий три главные силы природы: тяжести, упругости и трения. Последняя может появиться только при непосредственном взаимодействии двух любых физических тел. Зависит она от контактной поверхности и силы прижатия материалов друг к другу.

Например, пусть есть некое твёрдое тело, которое можно поднять и отпустить. Под действием притяжения оно начнёт опускаться, то есть двигаться с ускорением свободного падения. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока предмет не встретит на своём пути какую-либо другую горизонтальную поверхность. Тело остановится. Значит, помимо тяжести появляется ещё и иная сила. Называется она упругостью. Это воздействие всегда перпендикулярно поверхности, с которой тело контактирует. Часто такую величину называют силой нормального давления.

Когда предмет неподвижный, на него действует сила тяжести, прижимающая тело вниз (F = mg), и упругости, равная притяжению, но противоположная ему по направлению (N = - mg). Тело находится в равновесии. К покоящемуся объекту через нить можно привязать динамометр. Этот прибор позволяет измерять момент силы за счёт деформации, которая передаётся отсчётному устройству. Если потянуть за нить, то на предмет будет воздействовать сила, направленная вдоль поверхности, разделяющей тело и опору.

В результате опыта прибор может показать любое число, например, три ньютона, но при этом объект останется неподвижным. Верно будет утверждать, что на тело действует ещё какая-то сила, компенсирующая прикладываемую параллельно границе соприкосновения двух поверхностей. Она должна быть направлена в противоположную сторону и равняться значению силы, приложенной по модулю.

Воздействие, возникающее на границе между телом и опорой, называют силой трения. Её научное определение — это процесс механического взаимодействия соприкасающихся предметов при их относительном смещении в плоскости касания. Различают три вида сил трения в физике:

• покоя;
• скольжения;
• качения.

Кроме того, взаимодействие двух тел разделяют на сухое и жидкое. В первом случае при контакте отсутствуют какие-либо дополнительные слои, например, смазка, окислы. Во втором между поверхностями находится вязкое вещество — газ, жидкость.

Покой и скольжение

Наглядно показать, как действует трение, можно на графике. На нём по горизонтали нужно отложить величину силы F, то есть той, что измеряется динамометром, а по вертикали — уравновешивающее её воздействие Fтр. Пока тело находится в покое, все действующие моменты компенсируют друг друга. Значит, график будет начинаться в точке ноль и проходить через биссектрису прямого угла. Это состояние соответствует первому в физике виду трения покоя. Положение определяется каким-то максимальным значением, после преодоления которого начнётся движение предмета. Здесь справедливо записать неравенство 0 ≤ F тр ≤ F тр(max).

Прежде чем рассматривать процесс дальше, нужно выяснить, от чего же будет зависеть это максимальное значение. Как показывают опыты, значение определяется следующими факторами:

• силы прижатия тел друг к другу (величины нормального давления);
• материала контактирующих поверхностей.

Эксперименты для установления зависимости провели в своё время ученые Амонтон и Кулон. Получив результаты опытов, они сформулировали закон, который гласит, что наибольшее значение трения покоя прямо пропорционально силе нормального давления с учётом коэффициента: Fтр(max) = μ * N.

Это правило получило название «закон Амонтона-Кулона», а μ назвали коэффициентом трения, зависящим от поверхности контактирующих тел. Это безразмерная величина. Получается, что в том случае, когда возникает сила трения покоя, к телу приложено внешнее воздействие параллельно поверхности, разделяющей вещество и опору. Направлена она в сторону, противоположную внешней силе.

Если величину воздействия повысить до уровня, при котором тело начнёт сдвигаться, то её значение перестанет зависеть от скорости. Этот режим называют трением-скольжением. При этом эта сила остаётся постоянной и равняется максимальному значению покоя. На графике эту зависимость можно изобразить как прямую линию, параллельную оси F.

Точку, в которой возникает переход, называют граничным значением равномерного движения. За ней тело начинает ускоряться. При самостоятельном проведении опыта можно обратить внимание, что стрелка динамометра в начальный момент при движении тела покажет большее значение, чем при последующем скольжении предмета по опоре. То есть в граничной точке график будет иметь зубец. Это явление называют застоем. Его значение характеризуется силой сцепления материалов.

Трение качения

Чтобы установить, при каких условиях появляются силы трения, нужно рассмотреть ещё один вид — качение. Для наблюдения за ним можно взять цилиндрические тела и положить на них какой-либо предмет. Затем с помощью динамометра нужно сравнить возникающую силу движения через них и при обычном контакте с поверхностью. Фактически получается, что скольжение в эксперименте заменено качением. Опыт покажет, что в первом случае понадобится приложить силу в несколько раз меньше.

Выяснением природы качения занимался Галилей. Он скатывал шары с наклонной плоскости и видел: если они попадали на песок, то через небольшой промежуток времени останавливались. Но если вместо сыпучего тела был каменный пол, то скорость движения предмета практически не изменялась. Он предположил, что явление зависит от сообщения начального импульса и ровности поверхности.

Пусть имеется тело, стоящее на неровной опоре. Кажется, что если к нему приложить параллельно поверхности силу Q, которую уравновесить можно только другим противоположно направленным воздействием, то тело должно катиться. Но опыт показывает, что это не так. Например, если подойти к грузовику и попытаться его толкнуть, то он, скорее всего, не покатится. Это означает, что теория подходит только для идеального случая.

На самом деле в реальности происходит деформирование поверхности. За счёт этого образовывается цилиндрическая лунка, в которой находится тело. Всей своей тяжестью предмет опирается на одну точку. Тогда для такой ситуации действует система сил, состоящая из пары, которая препятствует движению. То есть возникает не трение, а момент: Mтр = N * δ, где δ — коэффициент, равный половине продавливаемой лунки. Измеряется он в миллиметрах.

Кратко рассказать, в чём же будет заключаться действие качения, можно несколькими словами. На тело, располагающееся на опоре, действуют:

• внешняя сила (P);
• прижимающее воздействие (N);
• реакция опоры (R).

Векторная их сумма будет равна нулю, поэтому понятно, что должен быть ещё один параметр, противодействующий движению. Это и есть сила трения качения: Fк = -P. Значит, прижимное воздействие уравновешивается вертикальной составляющей опоры, а внешнее уравнивается горизонтальной реакцией. Отсюда: Fк = (δ / R) * N.

Применение силы

Природное явление трение бывает не только полезным, но и вредным. Здесь всё не так просто. Например, без трения человек не смог бы ходить, его ноги просто бы проскальзывали. Это же можно сказать и про машины. Без трения они не смогут ехать, так как их колёса просто станут крутиться на месте.

Но эффект трения приводит к изнашиванию механизмов. Почему это происходит, ещё в XVII веке догадался французский механик и физик Гийом Амонтон. В своём докладе научному обществу он заявил, что природа трения связана с разрушением трущихся тел. Когда происходит перемещение по другой поверхности, сила возникает по двум причинам:

1. Тела, находясь близко, взаимодействуют. Основной причиной является притяжение.
2. Любая поверхность имеет шероховатости, только на одной их количество больше, а на другой меньше.

Когда происходит трение, то есть один предмет тянется по поверхности другого, неровности сглаживаются из-за механического ломания. Поверхности меняют форму. В итоге степень скольжения увеличивается. В этом и заключается природа трения. Понимая это, изобретатели, которые хотят избавиться от такого явления, стремятся уменьшить неровности контактирующих поверхностей, чтобы избежать их износа.

Например, если это электрический двигатель, то при снижении трения уменьшится расход электроэнергии для приведения и поддержания его работы. То же самое можно сказать о двигателях внутреннего сгорания. У них внутри цилиндров движутся поршни. Если поверхности будут шершавыми, механизм начнет изнашиваться.

Существуют приёмы, которые часто применяются на практике. Они действительно позволяют снизить трение. Наилучший из них — использование жидкостной или газовой прослойки. Если тела поместить в такие среды, то в этом случае состояния покоя не будет. А это значит, что нет сцепления. Кроме того, как показывают опыты, величина вязкого трения гораздо меньше сухого, а с ростом скорости увеличивается и сила сопротивления.