Что такое сила трения, виды силы трения; силы трения покоя и скольжения, законы и модуль силы трения

Определение силы трения

Когда мы говорим «абсолютно гладкая поверхность» — это значит, что между ней и телом нет трения. Такая ситуация в реальной жизни практически невозможна. Избавиться от трения полностью невероятно трудно.

Чаще при слове «трение» нам приходит в голову его «тёмная» сторона —  из-за трения скрипят и  прекращают качаться качели, изнашиваются детали машин. Но представьте, что вы стоите на идеально гладкой поверхности, и вам надо идти или бежать. Вот тут трение бы, несомненно, пригодилось. Без него вы не сможете сделать ни шагу, ведь между ботинком и поверхностью нет сцепления, и вам не от чего оттолкнуться, чтобы двигаться вперёд.

Трение — это взаимодействие, которое возникает в плоскости контакта поверхностей соприкасающихся тел.
Сила трения — это величина, которая характеризует это взаимодействие по величине и направлению.  

Основная особенность: сила трения приложена к обоим телам, поверхности которых соприкасаются, и направлена в сторону, противоположную мгновенной скорости движения тел друг относительно друга. Поэтому тела, свободно скользящие по какой-либо горизонтальной поверхности, в конце концов остановятся. Чтобы тело двигалось по горизонтальной поверхности без торможения, к нему надо прикладывать усилие, противоположное и хотя бы равное силе трения. В этом заключается суть силы трения. 

Откуда берётся трение

Трение возникает по двум причинам:

1. Все тела имеют шероховатости. Даже у очень хорошо отшлифованных металлов в электронный микроскоп видны неровности. Абсолютно гладкие поверхности бывают только в идеальном мире задач, в которых трением можно пренебречь. Именно упругие и неупругие деформации неровностей при контакте трущихся поверхностей формируют силу трения. 
2. Между атомами и молекулами поверхностей тел действуют электромагнитные силы притяжения и отталкивания. Таким образом, сила трения имеет электромагнитную природу.

Виды силы трения

В зависимости от вида трущихся поверхностей, различают сухое и вязкое трение. В свою очередь, оба подразделяются на другие виды силы трения.

1. Сухое трение возникает в области контакта поверхностей твёрдых тел в отсутствие жидкой или газообразной прослойки. Этот вид трения может возникать даже в состоянии покоя или в результате перекатывания одного тела по другому, поэтому здесь выделяют три вида силы трения:

• трение скольжения,
• трение покоя,
• трение качения.  

2. Вязкое трение возникает при движении твёрдого тела в жидкости или газе. Оно препятствует движению лодки, которая скользит по реке, или воздействует на летящий самолёт со стороны воздуха. Интересная особенность вязкого трения в том, что отсутствует трение покоя. Попробуйте сдвинуть пальцем лежащий на земле деревянный брус и проделайте тот же эксперимент, опустив брус на воду. Чтобы сдвинуть брус с места в воде, будет достаточно сколь угодно малой силы. Однако по мере роста скорости силы вязкого трения сильно увеличиваются.

Сила трения покоя 

Рассмотрим силу трения покоя подробнее.

Обычная ситуация: на кухне имеется холодильник,  его нужно переставить на другое место.

Когда никто не пытается двигать холодильник, стоящий на горизонтальном полу, трения между ним и полом нет. Но как только его начинают толкать, коварная сила трения покоя тут же возникает и полностью компенсирует усилие. Причина её возникновения — те самые неровности соприкасающихся поверхностей, которые деформируясь, препятствуют движению холодильника. Поднатужились, увеличили силу,  приложенную к холодильнику, но он не поддался и остался на месте. Это означает, что сила трения покоя возрастает вместе с увеличением внешнего воздействия, оставаясь равной по модулю приложенной силе, ведь увеличиваются деформации неровностей.

Пока силы равны,  холодильник остаётся на месте:

Сила трения, которая действует между поверхностями покоящихся тел и препятствует возникновению движения, называется силой трения покоя

Сила трения скольжения

Что же делать с холодильником и можно ли победить силу трения покоя? Не будет же она расти до бесконечности? 

Зовём на помощь друга, и вдвоём уже удаётся передвинуть холодильник. Получается, чтобы тело двигалось, нужно приложить силу, большую, чем самая большая сила трения покоя: 

Теперь на движущийся холодильник действует сила трения скольжения. Она возникает при относительном движении контактирующих твёрдых тел.

Итак, сила трения покоя может меняться от нуля до некоторого максимального значения — Fтр. пок. макс  И если приложенная сила больше,  чем Fтр. пок. макс, то у холодильника появляется шанс сдвинуться с места.

Теперь, после начала движения, можно прекратить наращивать усилие и ещё  одного друга можно не звать. Чтобы холодильник продолжал двигаться равномерно, достаточно прикладывать силу, равную силе трения скольжения: 

Как рассчитать и измерить силу трения

Чтобы понять, как измеряется сила трения, нужно понять, какие факторы влияют на величину силы трения. Почему так трудно двигать холодильник?

Самое очевидное — его масса играет первостепенную роль. Можно вытащить из него все продукты и тем самым уменьшить его массу, и, следовательно, силу давления холодильника на опору (пол). Пустой холодильник сдвинуть с места гораздо легче!
Следовательно, чем меньше сила нормального давления тела на поверхность опоры, тем меньше и сила трения. Опора действует на тело с точно такой же силой, что и тело на опору, только направленной в противоположную сторону. 

Сила реакции опоры обозначается N. Можно сделать вывод

Второй фактор, влияющий на величину силы трения, — материал и степень обработки соприкасающихся поверхностей. Так, двигать холодильник по бетонному полу гораздо тяжелее, чем по ламинату. Зависимость силы трения от рода и качества обработки материала обеих соприкасающихся поверхностей выражают через коэффициент трения.  

<<Форма демодоступа>>

Коэффициент трения обозначается буквой μ (греческая буква «мю»). Коэффициент определяется отношением силы трения к силе нормального давления. 

Он чаще всего попадает в интервал  от нуля до единицы, не имеет размерности и определяется экспериментально.

Можно предположить, что сила трения зависит также от площади соприкасающихся поверхностей. Однако, положив холодильник набок, мы не облегчим себе задачу.

Ещё Леонардо да Винчи экспериментально доказал, что сила трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей при прочих равных условиях.  

Сила трения скольжения, возникающая при контакте твёрдого тела с поверхностью другого твёрдого тела прямо пропорциональна силе нормального давления и не зависит от площади контакта. 

Этот факт отражён в законе Амонтона-Кулона, который можно записать формулой:

где  μ — коэффициент трения, N — сила нормальной реакции опоры.

Для тела, движущегося по горизонтальной поверхности, сила реакции опоры по модулю равна весу тела: 

Сила трения качения

Ещё древние строители заметили, что если тяжёлый предмет водрузить на колёсики, то сдвинуть с места и затем  катить его будет гораздо легче, чем тянуть волоком. Вот бы пригодилась эта древняя мудрость, когда мы тянули холодильник!  Однако всё равно нужно толкать или тянуть тело, чтобы оно не остановилось. Значит, на него действует сила трения качения. Это сила сопротивления движению при перекатывании одного тела по поверхности другого.

Причина трения качения — деформация катка и опорной поверхности. Сила трения качения может быть в сотни раз меньше силы трения скольжения при той же силе давления на поверхность. Примерами уменьшения силы трения за счёт подмены трения скольжения на трение качения служат такие приспособления, как подшипники, колёсики у чемоданов и сумок, ролики на прокатных станах.

Направление силы трения

Сила трения скольжения всегда направлена противоположно скорости относительного движения соприкасающихся тел. Важно помнить, что на каждое из соприкасающихся тел действует своя сила трения.

Бывают ситуации, когда сила трения не препятствует движению, а совсем наоборот.

Представьте, что на ленте транспортёра лежит чемодан. Лента трогается с места, и чемодан движется вместе с ней. Сила трения между лентой и чемоданом оказалась достаточной, чтобы преодолеть инерцию чемодана, и эти тела движутся как одно целое. На чемодан действует сила трения покоя, возникающая при взаимодействии соприкасающихся поверхностей, которая направлена по ходу движения ленты транспортёра.

 Если бы лента была абсолютно гладкой, то чемодан начал бы скользить по ней, стремясь сохранить своё состояние покоя. Напомним, что это явление называется инерцией.

Сила трения покоя, помогающая нам ходить и бегать, также направлена не против движения, а вперёд по ходу перемещения. При повороте же автомобиля  сила трения покоя и вовсе направлена к  центру окружности. 

Для того чтобы понять, как направлена сила трения покоя, нужно предположить, в каком направлении стало бы двигаться тело, будь поверхность идеально гладкой. Сила трения покоя в этом случае будет направлена как раз в противоположную сторону. Пример, лестница у стены.

Подведём итоги

1. Сила трения покоя меняется от нуля до максимального значения 0 < Fтр.покоя < Fтр.пок.макс  в зависимости от внешнего воздействия.
2. Максимальная сила трения покоя почти равна силе трения скольжения, лишь немного её превышая. Можно приближенно считать, что Fтр. = Fтр.пок.макс 
3. Силу трения скольжения можно рассчитать по формуле Fтр. = μ ⋅ N,  где  μ — коэффициент трения, N — сила нормальной реакции опоры.
4. При равномерном прямолинейном скольжении по горизонтальной поверхности сила тяги равна силе трения скольжения Fтр. = Fтяги.
5. Коэффициент трения μ зависит от рода и степени обработки  поверхностей 0 < μ < 1 .  
6. При одинаковых силе нормального давления и коэффициенте трения сила трения качения всегда меньше силы трения скольжения.

Учите физику вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду PHYSICS72021 вы получите

бесплатный доступ к курсу физики 7 класса, в котором изучается закон силы трения. 

Задачи на силу трения

Проверьте, насколько хорошо вы разобрались в теме «Сила трения», — решите несколько задач. Решение — приведено ниже. Но чур не смотреть, пока не попробуете разобраться сами.

1. Однажды в день открытия железной дороги произошёл конфуз: угодливый чиновник, желая выслужиться перед Николаем I, приказал выкрасить рельсы белой масляной краской. Какая возникла проблема и как её удалось решить с помощью сажи?
2. В один зимний день бабушка Нюра катала внука Алексея по заснеженной горизонтальной дороге. Чему равен коэффициент трения полозьев о снег, если сила трения, действующая на санки, равна 250 Н, а их масса вместе с Алексеем составляет 50 кг?
3. На брусок массой m = 5 кг, находящийся на горизонтальной шероховатой поверхности μ = 0,7, начинает действовать сила F = 25 Н, направленная вдоль плоскости. Чему при этом равна сила трения, действующая на брусок?

Решения

1. Масляная краска снизила коэффициент трения между колёсами и рельсами, что привело к пробуксовке, поезд не смог двигаться вперёд. Посыпав рельсы сажей, удалось решить проблему, так как коэффициент трения увеличился, и колёса перестали буксовать.
2. Санки находятся в движении, следовательно, на них будет действовать сила трения скольжения, численно равная Fтр. = μ ⋅ N, где N — сила реакции опоры, которая, при условии горизонтальной поверхности, равняется весу санок с мальчиком: N = m ⋅ g.  Получаем формулу Fтр. = μ ⋅ m ⋅ g  , откуда выразим искомую величину 

Ответ задачи зависит от того, сдвинется ли брусок под действием внешнего воздействия. Поэтому вначале узнаем значение силы, которую нужно приложить к бруску для скольжения. Это будет максимально возможная сила трения покоя, определяющаяся по формуле Fтр. = μ ⋅ N , где N = m ⋅ g (при условии горизонтальной поверхности). Подставляя значения, получаем, что Fтр. = 35 Н. Данное значение больше прикладываемой силы, следовательно брусок не сдвинется с места. Тогда сила трения покоя будет равна внешней силе: Fтр. = F = 25 H .

9.2: Трение и тяга

Одна из наиболее важных основ, которую ученики должны изучить перед тем, как приступить к проектированию ходовой части, это трение.

ТРЕНИЕ — это сила, сопротивляющаяся движению, когда две поверхности притираются друг к другу. Это исключительно противодействующая сила, возникающая, когда две поверхности находятся в контакте друг с другом и под действием силы, заставляющей их скользить друг относительно друга. Если на объект не воздействует сила, провоцирующая его к попытке движения, трение также отсутствует. Отсутствие воздействующей силы означает отсутствие противодействующей силы.

Существуют два типа трения: статическое трение и кинетическое трение.

Статическое трение представляет собой силу трения, действующую между двумя объектами, которые НЕ перемещаются друг относительно друга. Для того, чтобы сдвинуть что-либо, требуется предварительное усилие. Если значение силы, пытающейся сдвинуть объект, меньшее значения силы статического трения, объект не сможет сдвинуться с места.

Кинетическое трение — это сила трения, действующая между двумя поверхностями, перемещающимися (скользящими) друг относительно друга.

Как только объект преодолел статическое трение и начал движение, он попадает под воздействие кинетического трения, сопротивляющегося движению.

На графике выше показана обратная взаимосвязь между приложенной силой и трением. С увеличением приложенной силы, противодействующая сила трения также увеличивается. Вплоть до момента, когда объект сдвинется с места, на него действует статическое трение. Как только значение приложенной силы превысит максимальное статическое трение, масса начнет двигаться. Сразу после начала движения объект окажется под действием кинетического трения. Статическое трение больше кинетического трения, поэтому если масса уже сдвинулась, для дальнейшего скольжения ей потребуется меньше силы.

Оба типа трения можно имитировать, уперев ладонь одной руки в ладонь другой руки и попробовав подвигать ими скользящим движением. Этому движению будет противодействовать текстура кожи и величина приложенной силы. Чем плотнее ладони прижаты друг к другу, тем сложнее ими двигать. Это статическое трение.

По мере увеличения скользящей силы, руки начинают скользить и двигаться друг относительно друга. Это кинетическое трение. Можно заметить, что как только руки преодолели статическое трение, двигать ими стало проще.

Существует два фактора, определяющих максимальную силу трения, возникающую между двумя поверхностями: «цепкость» поверхностей (известная как коэффициент трения поверхностей), а также плотность прижатия поверхностей друг к другу (известная как нормальная сила).

Максимальная сила трения (Ff) между двумя поверхностями равна коэффициенту трения (Cf) этих поверхностей, умноженному на нормальную силу (N), удерживающую поверхности вместе.

Максимальная сила трения = (Коэффициент трения) х (Нормальная сила)

Ff = Cf x N

КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ:

Как уже говорилось выше, коэффициент трения является постоянной величиной, отражающей «цепкость» двух поверхностей, скользящих друг относительно друга. Необходимо обратить внимание на то, что это трение не одной скользящей поверхности, а двух. Например, покрышка сама по себе НЕ ОБЛАДАЕТ коэффициентом трения, но покрышка, скользящая по мостовой, ОБЛАДАЕТ коэффициентом трения.

Коэффициент трения скользких объектов чрезмерно мал, тогда как коэффициент трения липких объектов — очень велик. Эта постоянная величина определяется для пары поверхностей (не для единственной поверхности). Каждая пара материалов обладает коэффициентами статического и кинетического трения.

При этом нельзя путать чистое трение с действительно липкими поверхностями, такими как, например, изолента или покрытия с большим коэффициентом трения, связывающиеся с другими поверхностями. Подобные поверхности, соединяясь, должны выглядеть как одна. Например, изолента сопротивляется скольжению даже в том случае, когда нормальная сила отсутствует или имеет отрицательное значение.

НОРМАЛЬНАЯ СИЛА:

Сила, прижимающая две скользящие поверхности друг к другу, называется нормальной силой. Действие нормальной силы всегда направлено перпендикулярно двум поверхностям (в противном случае эта сила может действовать как нормальная сила лишь частично). Зачастую нормальная сила, воздействующая на две поверхности, является массой одного объекта, располагающегося сверху на другом объекте. В этом случае действие нормальной силы спровоцировано гравитацией.

Как показано на схеме выше, если объект лежит на наклонной поверхности, гравитация действует на две скользящие поверхности не под прямым углом. В этом случае, только часть массы объекта действует как нормальная сила.

ТЯГА:

ТЯГА может быть определена как трение между ведущим колесом и поверхностью, по которой оно катится. Это количество силы, которое колесо прикладывает к поверхности перед тем, как соскользнуть. Колесо обладает разной тягой на различных поверхностях. Как описывалось выше, значение коэффициента трения определяется для любых двух поверхностей.

Из Блока 7 и схемы, представленной выше, видно, что колесо прикладывает силу к поверхности под действием крутящего момента. Тем не менее, если бы колесо катилось по льду, оно просто проскальзывало бы, не двигаясь с места. Трение, возникающее между колесом и поверхностью земли, необходимо для создания линейного движения. Это тяговое усилие, или сила тяги.

Необходимо обратить внимание на то, что сила тяги равна силе трения между колесом и поверхностью. Если колесо катится по поверхности, а не скользит, сила тяги равна статическому трению. Если приложенная сила превышает максимальное статическое трение, колесо начинает скользить, и теперь сила тяги равна максимальному кинетическому трению.

Увеличение тяги:

Так как тяга зависит от трения между поверхностью и колесом, чтобы увеличить ее значение, необходимо увеличить трение. Как говорилось выше, трение между объектами зависит от коэффициента трения между ними (в данном случае, между колесом и поверхностью, по которой оно катится) и нормальной силы (массы робота, прижимающей колеса к поверхности). Чтобы увеличить тягу, увеличить либо коэффициент трения (сцепление колес), либо нормальную силу, действующую на колеса (массу робота).

 

Сборка толкающего робота:

Чтобы собрать робота, способного толкать или тянуть с большой силой, необходимо включить в конструкцию два элемента: колеса повышенной проходимости и значительный крутящий момент для приведения их в движение. Трение — это противодействующая сила. Если нет приложенной силы, сила трения также отсутствует. Чтобы увеличить тягу, к колесам необходимо приложить крутящий момент, достаточный для достижения максимального статического трения колес.

Автомобиль может обладать огромной тягой, но при малых размерах двигателя он не сможет толкать или тянуть что либо. Поэтому маленькие автомобили не могут тянуть за собой трейлеры или катера на прицепах.

Трение в системе VEX:

В системе проектирования VEX Robotics Design System используется множество элементов, которые могут применяться для получения трения, включая различные типы колес. Каждый из них обладает характеристиками, необходимыми для использования на различных поверхностях. Для проектировщика очень важно экспериментальным путем определить тип колес, требуемый для каждой отдельной задачи.

Трение между колесами и поверхностью пола — не единственный вид трения, применяемый в конструкции робота VEX. Существует также трение, притормаживающее вращающиеся компоненты робота и уменьшающее количество мощности на выходе электромотора. В системе проектирования VEX Robotics Design System есть ряд частей, предназначенных для уменьшения трения. Использовать соединения типа «металл к металлу» в подвижных системах не рекомендуется. Пластиковые части, например, опорные блоки, прокладки и шайбы, позволяют снизить значение трения в точках контакта подвижных частей.

Трение покоя и трение скольжения. Природа явления и его суть.



Понятие трения

Как известно, в природе не существует абсолютно гладких и абсолютно твердых тел, поэтому при перемещении одного тела по поверхности другого возникает сопротивление, которое называется трением.

Трение – явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкасания поверхностей по касательной к ним.

Трение – явление чрезвычайно распространенное в природе и имеющее большое значение. При этом оно может выполнять и полезные, и вредные функции. На трении основана работа фрикционных и ременных передач, муфт, наклонных транспортеров, прокатных станов, тормозных устройств и т. п.

Трение обеспечивает сцепление тел с земной поверхностью и, следовательно, работу машин, тракторов и другой транспортной самоходной техники. При отсутствии трения мы не могли бы ходить по земле, поскольку наши ноги скользили бы и разъезжались в разные стороны, как у неумелого конькобежца на гладком льду.

Наряду с полезными свойствами, трение является во многих устройствах и механизмах вредным сопротивлением, которое отнимает львиную долю мощности и энергии у машин. Для уменьшения трения в механизмах конструкторам приходится применять различные приемы и способы, чтобы снизить непродуктивные потери энергии.

Трение классифицируют по характеру движения, в результате которого оно возникает. Различают трение покоя, трение скольжения, трение качения и трение качения с проскальзыванием. Очевидно, что последний из перечисленных видов трения является комбинацией трения скольжения и трения качения.

Трением покоя называется трение двух тел при начальном (бесконечно малом) относительном перемещении в момент перехода от состояния покоя к состоянию относительного движения. Это явление можно объяснить шероховатостью поверхностей соприкасающихся тел, а также их деформацией, вызванной взаимным давлением друг на друга.

Кроме того, при таком взаимном давлении (контакте) между телами, на их поверхностях возникают силы молекулярного сцепления. Для того, чтобы начать взаимное перемещение тел, необходимо преодолеть все эти факторы, обуславливающие трение покоя.

Трением движения называется трение двух тел, находящихся в относительном движении. Рассмотрим основные виды трения в зависимости от характера относительного движения тел.

***

Трение скольжения

Трением скольжения называется трение движения, при котором скорости тел в точке касания различны по значению и (или) направлению.

Трение скольжения, как и трение покоя, обусловлено, прежде всего, шероховатостью и деформацией поверхностей, а также наличием молекулярного сцепления прижатых друг к другу тел. Трение скольжения сопровождается изнашиванием, т. е. отделением или остаточной деформацией материала, а также нагревом трущихся поверхностей тел (остаточной называется деформация, не исчезающая после прекращения действия внешних сил).

Трение характеризуется силой трения.

Сила трения есть сила сопротивления относительному перемещению двух тел при трении.

Рассмотрим тело, лежащее на горизонтальной шероховатой плоскости (см. рисунок 1).

Сила тяжести G уравновешивается нормальной реакцией плоской поверхности N. Если к телу приложить небольшую движущую силу P, то оно не придет в движение, так как эта сила будет уравновешиваться силой трения F_тр, которая является, таким образом, составляющей реакции опорной плоскости, направленной вдоль плоскости в противоположную перемещению сторону.

Если постепенно увеличивать сдвигающую силу P, то до определенного ее значения тело будет оставаться в покое, а затем придет в движение.

Очевидно, что сила трения в состоянии покоя может изменяться в зависимости от степени микросмещения может изменяться от нуля до какого-то максимального значения F^max_тр, причем в промежутке между нулем и максимальным значением сила трения F_тр по модулю всегда равна сдвигающей силе P.

Максимальное значение сила трения покоя имеет в момент начала относительного движения. Это значение называется наибольшей силой трения покоя или просто силой трения покоя.

Сила трения всегда направлена в сторону, противоположную направлению относительного движения тела.

В XVIII веке французские ученые Гийом Атонтон (1663-1705), а затем Шарль Огюстен Кулон (1736-1806) провели фундаментальные исследования в области трения, и на основе их сформулировали три основных закона трения скольжения, которые обычно называют законами Кулона.

***

1-й закон Кулона

Cила трения не зависит от величины площади трущихся поверхностей.

Первый закон можно объяснить с помощью следующих умозаключений. Если площадь трущихся поверхностей увеличится, то увеличится и количество сцепляющихся неровностей, но уменьшится давление на опорную поверхность, которое обратно пропорционально площади контакта тел. Поэтому сопротивление относительному перемещению останется прежним.

***

2-й закон Кулона

Максимальная сила трения прямо пропорциональна нормальной составляющей внешних сил, действующих на поверхности тела.

Второй закон Кулона говорит о том, что если увеличится нормальная составляющая внешних сил, действующих на поверхности тела (иначе говоря, увеличится сила нормального давления или реакции), то во столько же раз возрастет максимальная сила трения.

Поскольку зависимость эта прямо пропорциональная, можно выделить коэффициент, характеризующий ее пропорциональность. Этот коэффициент называется коэффициентом трения скольжения, и определяется он, как отношение силы трения F_тр к нормальной составляющей N внешних сил, действующих на поверхности тела. Обозначается коэффициент трения скольжения f.

При наибольшей силе трения покоя коэффициент трения называют коэффициентом сцепления.

Таким образом,

f = F_тр/N    или    F_тр = fN.

В результате второй закон трения скольжения можно сформулировать так: сила трения равна коэффициенту трения скольжения, умноженному на силу нормального давления или реакции.

Очевидно, что коэффициент трения скольжения – величина безразмерная.

Нормальная реакция N опорной поверхности и сила трения F_тр дают равнодействующую R, которая называется полной реакцией опорной поверхности (см. рисунок 2).

R = N + F_тр.

Полная реакция R составляет с нормалью к опорной поверхности некоторый угол. Максимальное значение этого угла (достигает в момент начала относительного движения) называется углом трения и обозначается φ.

Из рисунка 2 очевидно, что

f = tgφ,

т. е. коэффициент трения скольжения равен тангенсу угла трения.

Если коэффициент трения скольжения одинаков для всех направлений движения, то множество (геометрическое место) полных реакций образует круговой конус, который называется конусом трения (см. рисунок 2).

Если для разных направлений движения коэффициент трения неодинаков (например, при скольжении по дереву вдоль волокон и поперек волокон), то конус трения будет некруговым (несимметричным).

Свойство конуса трения заключается в том, что для равновесия тела, лежащего на шероховатой поверхности, равнодействующая приложенных к нему активных сил должна проходить внутри конуса трения.

Действительно, если равнодействующую P активных сил, приложенных к телу, разложить на составляющие P₂ (движущая сила) и P₂ (сила нормального давления), то

P₁ = P₂ tgα.

По второму закону трения скольжения

F_тр = fP₂ = P₂ tgφ.

Следовательно, при α < φ будет P₁ < F_тр и движение окажется невозможным.

***



3-й закон Кулона

Сила трения зависит от материала тел, состояния трущихся поверхностей и рода смазки.

Согласно третьему закону трения скольжения, коэффициент трения скольжения зависит от материалов трущихся тел, качества обработки их поверхности (степени шероховатости), рода и температуры смазки. В зависимости от наличия между сопрягаемыми поверхностями слоя смазки трение подразделяется на два вида: трение без смазочного материала (сухое трение) и трение в условиях смазки.

Коэффициент трения скольжения определяют опытным путем; значения его для различных условий приведены в справочниках. Примеры коэффициентов трения для некоторых материалов приведены ниже.

• Металл по металлу без смазки ……. 0,15…0,30
• То же, со смазкой ………………………0,10. ..0,18
• Дерево по дереву без смазки …….. 0,40…0,60
• Кожа по чугуну без смазки ………… 0,30…0,50
• То же, со смазкой ………………………… 0,15
• Сталь по льду ……………………………… 0,02

Коэффициент трения скольжения при движении обычно меньше, чем при покое, и в первом приближении не зависит от скорости относительного перемещения тел.

Методы решения задач статики при наличии трения остаются такими же, как и при отсутствии его, причем в уравнения равновесия обычно вводят максимальные значения сил трения.

***

Трение на наклонной поверхности

Рассмотрим тело, лежащее на шероховатой наклонной плоскости, составляющей угол α с горизонтальной плоскостью (см. рисунок 3).

Разложим силу тяжести тела G на составляющие G₁ и G₂, параллельную и перпендикулярную наклонной плоскости. Модули этих составляющих определим, используя тригонометрические зависимости:

G₁ = G sinα;    G₂ = G cosα.

Составляющая G₁ стремится сдвинуть тело вдоль наклонной плоскости. Полностью или частично эта составляющая уравновешивается силой трения; согласно второму закону трения скольжения, ее максимальное значение равно:

F_тр = fN = fG cosα,     где f – коэффициент трения скольжения тела по наклонной плоскости.

Для того, чтобы тело, лежащее на наклонной плоскости, находилось в равновесии, движущая сила G₁ должна быть по модулю равна силе трения F_тр ,т. е.

G sinα = fG cosα    или     tgα = f = tgφ, откуда следует, что α = φ.

Если угол, который наклонная плоскость составляет с горизонтом, будет равен углу трения, то тело, лежащее на наклонной плоскости ,будет под действием собственной силы тяжести либо равномерно скользить вниз, либо находиться в состоянии покоя (что, собственно, одно и то же).

Для того, чтобы тело, лежащее на наклонной плоскости, заведомо не скользило вниз под действием собственной силы тяжести, должно быть соблюдено условие α < φ.

Наклонной плоскостью с переменным углом наклона к горизонту пользуются для экспериментального определения угла трения φ и коэффициента трения f (см. рисунок 4а).

Определим модуль силы Р, параллельной наклонной плоскости, в случае равномерного перемещения тела вверх по шероховатой наклонной плоскости (см. рисунок 4б). Спроецируем силы, действующие на тело, на ось x. Составим уравнение равновесия:

ΣX = 0;    P – G sinα – F_тр = 0.

Так как F_тр = fG cosα, то P = G sinα + fG cosα или после преобразований: P = G (tgα + f).

Определим модуль горизонтальной силы Р, которую надо приложить к телу для равномерного перемещения его вверх по шероховатой наклонной плоскости (см. рисунок 5).

Применим геометрическое условие равновесия плоской системы сил (размерами тела пренебрегаем) и построим замкнутый силовой многоугольник, соответствующий уравнению равновесия:

G + P + N + F_тр = 0.

Из треугольника abc имеем: P = Gtg(α + φ).

Этот случай движения имеет место при взаимном перемещении винта и гайки с прямоугольной резьбой, так как резьбу винта можно рассматривать как наклонную плоскость, угол наклона которой равен углу подъема винтовой линии.

Трение в резьбе, имеющей треугольный или трапецеидальный профиль, подобно трению в клинчатом ползуне. Поэтому рассмотрим клинчатый ползун с углом заострения 2β, нагруженный вертикальной силой Q (см. рисунок 6). Определим силу P, необходимую для равномерного перемещения ползуна вдоль горизонтальных направляющих, если коэффициент трения скольжения равен f.

Составим два уравнения равновесия ползуна:

ΣX = 0;    P – 2F_тр = 0;

ΣY = 0;    2Nsinβ – Q = 0,

где F_тр – сила трения на каждой грани ползуна; N – нормальная реакция направляющей.

Решая эту систему уравнений и учитывая, что F_тр = fN, получим:

P = (f/sinβ)Q = f’Q,

где f’ = f/sinβ – приведенный коэффициент трения.

Соответствующий этому приведенному коэффициенту угол трения обозначим φ’ и назовем приведенным углом трения, тогда:

f’ = tgφ’.

Очевидно, что f’> f, следовательно, при прочих равных условиях трение в клинчатом ползуне больше трения на плоскости.

Понятие приведенного коэффициента трения условно, так как он изменяется в зависимости от угла заострения клинчатого ползуна.

По аналогии с движением тела вверх по наклонной плоскости под действием горизонтальной силы для равномерного перемещения клинчатого ползуна по направляющим, наклоненным к горизонту под углом α, нужно приложить горизонтальную силу равную

P = Q tg(α + φ’).

Трение в крепежной метрической резьбе подобно трению клинчатого ползуна с углом заострения 2β = 120˚, для трапецеидальной резьбы угол 2β = 150˚.

С трением связано понятие угла естественного откоса — наибольшим углом между наклонной плоскостью и горизонтом, при котором сыпучее тело удерживает свои частицы на поверхности, без их движения (осыпания) вниз. Угол естественного откоса сыпучего тела равен углу трения между его частицами. Этот угол приходится принимать во внимание, например, при различных земляных работах на уклонах и скатах.

***

Трение качения



Главная страница

• Страничка абитуриента

Дистанционное образование

• Группа ТО-81
• Группа М-81
• Группа ТО-71

Специальности

• Ветеринария
• Механизация сельского хозяйства
• Коммерция
• Техническое обслуживание и ремонт автотранспорта

Учебные дисциплины

• Инженерная графика
• МДК.01.01. «Устройство автомобилей»
•    Карта раздела
•       Общее устройство автомобиля
•       Автомобильный двигатель
•       Трансмиссия автомобиля
•       Рулевое управление
•       Тормозная система
•       Подвеска
•       Колеса
•       Кузов
•       Электрооборудование автомобиля
•       Основы теории автомобиля
•       Основы технической диагностики




• Основы гидравлики и теплотехники
• Метрология и стандартизация
• Сельскохозяйственные машины
• Основы агрономии
• Перевозка опасных грузов
• Материаловедение
• Менеджмент
• Техническая механика
• Советы дипломнику

Олимпиады и тесты

• «Инженерная графика»
• «Техническая механика»
• «Двигатель и его системы»
• «Шасси автомобиля»
• «Электрооборудование автомобиля»

Урок 10.

силы трения — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 10. Силы трения

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1. Сухое и жидкое (вязкое) трение.
2. Максимальная сила трения покоя.
3. Формула для вычисления силы трения скольжения.
4. Особенности сил сопротивления при движении твердых тел в жидкостях и газах.
5. Формулы вычисления сил сопротивления при движении твердых тел в жидкостях и газах.

Глоссарий по теме:

Сухое трение — трение, возникающее при соприкосновении двух твёрдых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки.

Сила трения покоя — сила трения, действующая между двумя телами, неподвижными относительно друг друга.

Максимальная сила трения покоя — наибольшее значение силы трения, при котором скольжение еще не наступает.

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

Трение качения — сопротивление движению, возникающее при перекатывании тел друг по другу т.е. сопротивление качению одного тела (катка) по поверхности другого

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 113 – 122.
2. Парфентьева Н. А. Сборник задач по физике. 10-11 классы. Базовый уровень.

Открытые электронные ресурсы:

http://kvant.mccme.ru/1978/05/kuda_napravlena_sila_treniya.htm

http://kvant.mccme.ru/1985/10/trenie_vrednoe_poleznoe_intere.htm

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Трение – физическое явление, сопровождающее всякое движение на Земле. При любом механическом движении тела соприкасаются либо друг с другом, либо с окружающей их сплошной жидкой или газообразной средой. В результате соприкосновения возникает сила трения, которая препятствует движению. Трение может быть полезно, и тогда мы стремимся его увеличить. В случаях, когда трение вредно, принимаются меры для его уменьшения.

История открытия. Свой вклад в попытки объяснить природу трения внесли многие ученые, начиная с Аристотеля, Леонардо да Винчи, Амонтона, Леонарда Эйлера, Кулона. Дальнейший вклад в теорию трения сделали Майер, Джоуль, Гельмгольц, Кузнецов, Дерягин, Томлинсон, Рейнольдс, Штрибек, Боуден и другие.

Различают следующие виды трения:

1. сухое;
2. жидкое (вязкое).

Сухое трение бывает трех видов:

1. трение покоя;
2. трение скольжения;
3. трение качения.

Причины возникновения силы трения:

1. шероховатость поверхностей соприкасающихся тел.
2. взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел.

Сухое трение − трение, возникающее при соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки. Силы сухого трения всегда направлены по касательной к соприкасающимся поверхностям.

Сухое трение, возникающее при относительном покое тел, называют трением покоя.

Сухое трение, возникающее при относительном движении тел, называют трением скольжения.

Трение качения возникает, когда одно тело катится по поверхности другого тела.

Закон, выражающий зависимость максимального значения модуля силы трения покоя от модуля силы нормальной реакции опоры впервые экспериментально установил французский военный инженер и учёный-физик Шарль Огюстен де Кулон. Согласно этому закону, максимальное значение модуля силы трения покоя прямо пропорционально модулю силы нормальной реакции опоры

F_{тр.макс} = µN,

где F_{тр.макс} — модуль максимальной силы трения покоя, µ- коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения покоя.

Коэффициент трения µ характеризует обе трущиеся поверхности и зависит не только от материала этих поверхностей, но и от качества их обработки. Коэффициент трения определяется экспериментально.

Трение скольжения. Сила трения скольжения также направлена вдоль поверхности соприкосновения тел, но в отличие от силы трения покоя, которая противоположна внешней силе, стремящейся сдвинуть тело, сила трения скольжения всегда направлена противоположно относительной скорости. Модуль силы трения скольжения, как и максимальной силы трения покоя, тоже пропорционален прижимающей силе, а значит, нормальной силе реакции опоры:

При не слишком больших относительных скоростях движения сила трения скольжения мало отличается от максимальной силы трения покоя. Поэтому приближенно можно считать ее постоянной и равной максимальной силе трения покоя:

F_тр ≈ F_{тр.макс} = µN.

Важно! Сила трения зависит от относительной скорости движения тел. В этом ее главное отличие от сил тяготения и упругости, зависящих только от расстояний.

При движении твердого тела в жидкости или газе возникает силa жидкого (вязкого) трения. Сила жидкого трения значительно меньше силы сухого трения. Эта сила направлена против скорости тела относительно среды и тормозит движение.

Главная особенность силы сопротивления состоит в том, что она появляется только при наличии относительного движения тела и окружающей среды. Сила трения покоя в жидкостях и газах полностью отсутствует. Поэтому усилием рук можно сдвинуть тяжелую баржу в воде, а сдвинуть поезд усилием рук невозможно.

Модуль силы сопротивления F_c зависит от размеров, формы и состояния поверхности тела, свойств среды (жидкости или газа), в которой тело движется, и, наконец, от относительной скорости движения тела и среды.

Примерный характер зависимости модуля силы сопротивления от модуля относительной скорости тела показан на рисунке

При относительной скорости, равной нулю, сила сопротивления не действует на тело (F_c=0). С увеличением относительной скорости сила сопротивления сначала растет медленно, а затем все быстрее и быстрее. При малых скоростях движения силу сопротивления можно считать прямо пропорциональной скорости движения тела относительно среды:

F_c = k₁v, (1)

где k₁— коэффициент сопротивления, зависящий от формы, размеров, состояния поверхности тела и свойств среды — ее вязкости.

Вычислить коэффициент k₁ теоретически для тел сколько-нибудь сложной формы не представляется возможным, его определяют опытным путем.

При больших скоростях относительного движения сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости:

F_c = k₂v², (2)

где k₂ — коэффициент сопротивления, отличный от k₁.

Только опытным путём можно определить, какая из формул — (1) или (2) — подходит для использования в конкретной практической задаче.

Итак, основными особенностями силы сопротивления, действующей на тело, являются:

1) отсутствие силы трения покоя; 2) зависимость от относительной скорости движения.

Примеры и разбор решения заданий

1. Какая сила не позволяет человеку сдвинуть с места дом?

1. Силы трения скольжения;
2. сила трения покоя;
3. сила тяжести.

Ответ: 2) Сила трения покоя.

2. Деревянный ящик равномерно движется по поверхности длинного стола. Сила давления ящика на поверхность равна 30 Н, сила трения 6 Н. Найдите коэффициент трения скольжения.

Решение.

Воспользуемся формулой, которая связывает силу давления на плоскость, силу трения и коэффициент трения F_тр = µP. Из этой формулы легко получить формулу для расчёта коэффициента трения µ = F_тр / P. Подставляя в неё численные значения, получаем:

µ = F_тр / P = 6Н/30Н = 0,2.

Ответ: 0,2.

3. Кубик из детского конструктора покоится на наклонной плоскости, образующей угол α = 40° с горизонтом. Сила трения покоя равна 0,32 Н. Определите значение силы тяжести, которая действует на кубик.

Решение.

По условию задачи кубик покоится. Следовательно, сумма всех действующих на него сил равна нулю. В проекции на ось, идущей вдоль склона плоскости, получаем соотношение: mg sin α – F_{тр =} 0. Из него выражаем формулу для расчета силы тяжести, действующей на кубик

Ответ: 0,5 Н.

Сила трения качения – формула, определение

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 276.

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 276.

Силы трения возникают при непосредственном контакте поверхностей двух твердых тел. Различают силы трения — покоя, скольжения и качения. Когда тело не скользит по поверхности другого тела, а катится, то в этом случае сопротивление оказывает сила трения качения. Трение качения в десятки раз меньше трения скольжения. Разберемся с механизмом возникновения этой силы.

Катить легче, чем тащить

В повседневной жизни мы пользуемся преимуществами качения практически ежедневно:

• Тяжелые, крупногабаритные предметы можно легко переместить, подложив под них круглые катки или трубы. Например, чтобы передвигать по асфальту чугунную болванку массой в 1 тонну, нужно приложить силу в 200 кгс — на такое способны только могучие силачи. А на тележке катить эту же болванку сможет даже ребенок, ведь для этого нужна сила не более 10 кгс;
• Все транспортные средства, перемещающиеся по поверхности земли, используют колеса;
• Для облегчения подъема тяжелых предметов на высоту с давних времен применяется блок, имеющий форму колеса;
• Роликовые и шариковые подшипники качения применяются во всех устройствах, когда требуется добиться минимального трения во вращающихся деталях.

Конечно, изобретение колеса — это одно из самых выдающихся достижений человеческой цивилизации.

Рис. 1. Примеры силы трения качения.

Итак, сила трения качения — это сила, возникающая при качении тела по поверхности без проскальзывания. Существенным моментом в этом определении является исключение проскальзывания, потому что при проскальзывании трение возрастает в десятки раз!

Почему возникает сила трения качения

Круглый предмет (диск, шар, цилиндр) при качении слегка вдавливается в поверхность, образуя “ямку и бугорок”. Получается так, катящееся тело собственным весом создает себе препятствие (бугорок), и преодолевает его как бы вкатываясь все время в гору. При этом само тело тоже немного деформируется.

Вторая причина – сила сцепления (адгезия), возникающая между поверхностями в момент контакта. Адгезия возникает в результате межмолекулярного взаимодействия.

Рис. 2. Возникновение силы трения качения.

Чем тверже поверхность, по которой катится тело, тем меньше будет “ямка” (вдавливание) и, значит, меньше сила трения качения. Сопротивление качению меньше, чем трение скольжения, потому что площадь контакта обычно очень мала, и поэтому нормальная сила, придавливающая тело к поверхности, тоже мала и недостаточна, чтобы предотвратить движение тела.

Для железнодорожного транспорта, где колеса и рельсы стальные, трение при качении во много раз меньше, чем у грузовых автомобильных шин. Если бы само тело и поверхность были абсолютно твердыми, то сила трения была бы рана нулю.

От чего зависит и чему равна сила трения качения

Если круглое тело, например, колесо радиусом R катится по поверхности, то для формулы силы трения качения F_{tсправедливо следующее выражение:}

$ F_t = N * {μ\over R} $ (1),

где:

N — прижимающая сила, Н;

μ — коэффициент трения качения, м/Н.

Из формулы следует, что F_t растет с ростом массы тела и уменьшается с увеличением радиуса колеса R. Это и понятно: чем больше колесо, тем меньшее значение имеют для него неровности поверхности (бугорки), по которой оно катится.

Коэффициент трения качения μ имеет размерность $[м/Н]$ в отличии от коэффициента трения скольжения k, который безразмерен.

Рис. 3. Формула для силы трения качения.

Подшипники

Для снижения трения скольжения сначала была изобретена смазка, которая позволила добиться уменьшения трения в 8-10 раз. И только в конце ХIХ века возникла идея заменить в подшипнике трение скольжения трением качения. Эту замену осуществляют шариковые и роликовые подшипники. При вращении колеса или вала двигателя шарики (или ролики) катятся по втулке (обойме для шариков), а вал или ось колеса — по шарикам. Таким способом удалось снизить трение в десятки раз.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали что представляет собой сила трения качения. Рассмотрели два основных механизма, вызывающих эту силу. Согласно формуле (1) сила трения качения растет с ростом веса тела и уменьшается с увеличением радиуса колеса. Роликовые и шариковые подшипники качения находят свое применение в большинстве устройств, имеющих вращающиеся детали.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

• Егор Князев

  3/5

• Александр Коновалов

  5/5

Оценка доклада

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 276.

А какая ваша оценка?

просто и понятно о ее сущности и формулах

2 комментария

Содержание:

Сила трения возникает из соприкосновения поверхностей двух физических тел, пребывающих в движении по отношению друг к другу. Теория трения издревле волновала умы человечества, древние инженеры: строители Египетских пирамид, Стоунхенджа в Англии или таинственных каменных истуканов на острове Пасхе, все они (как впрочем, и их современные коллеги) решали насущную проблему, связанную с трением и тем как его максимально уменьшить. Ведь именно сила трения делает трудным перемещение тяжелых грузов по земле (тех же камней для пирамид или Стоунхенджа), и чтобы облегчить эту задачу, нашими далекими предками было придумано такое полезное изобретение как колесо и сделано множество других важных открытий. В нашей статье мы посмотрим на силу трения в физическом аспекте, разберем, как действует она на те или иные тела, какие есть ее виды и формулы расчета.

Определение

Что такое сила трения? Классическое определение звучит так: сила трения – это сила, появляющаяся при соприкосновении двух тел во время движения и препятствующая этому самому движению. Иными словами, чем больше сила трения между телами, тем труднее их двигать относительно друг друга. Что же касается самой физической природы трения, то оно появляется как результат взаимодействия между атомами и молекулами тел, соприкасающихся между собой.

Также стоит заметить, что при трении двух тел на них действует третий закон Ньютона: сила трения, действующая на первое тело (тело А), равна силе трения, действующей на второе тело (тело Б), только по модулю эти силы имеют противоположное направление.

На этой картинке, сила трения, действующая на холодильник, равна силе трения, действующей на пол, но направлены эти силы в противоположные стороны.

Виды трения

В зависимости от характера движения тел различают такие виды сил трения как:

• Покоя. Сила трения покоя возникает при соприкосновении двух тел, которые, однако, не движутся относительно друг друга, и имеет нулевое значение.
• Скольжения. Сила трения скольжения – наиболее классическая иллюстрация действия трения, возникает при скольжении тел относительно друг друга. На ее величину влияет масса тела (чем она больше, тем больше сила трения), характер поверхности (разумеется, при скольжении по льду сила трения будет в разы меньше чем при скольжении по земле).
• Качения. Сила трения качения появляется, когда одно тело катится по поверхности другого, например, при езде на велосипеде или автомобиле. При качении сила трения гораздо меньше, чем при скольжении. Это опытным, эмпирическим путем установили еще те далекие наши предки, которые изобрели колесо – величайшее изобретение в истории науки и техники.
• Верчения. Сила трения верчения проявляется при вращении одного тела по поверхности другого.

Что же касается самого трения то и оно бывает нескольких видов:

• Сухое – проявляется при соприкосновении твердых поверхностей.
• Вязкое, также подобное трение называют жидкостным, появляется при соприкосновении твердого тела c жидкостью либо газом. Например, на корабль, плывущий по воде, как и на поверхность воды, действует вязкое (жидкостное) трение. Сила вязкого трения обычно гораздо меньше силы сухого трения.
• Смешанное, возникает, когда между поверхностями, которые соприкасаются, есть слой смазки.

Интересный факт: при осаде Константинополя в 1453 году турки, чтобы обойти специальную цепь, преграждающую путь турецким кораблям в залив Золотой Рог перетянули их по суше. А для того, чтобы уменьшить силу трения при перемещении больших тяжелых военных кораблей сделали настил из деревянных рельсов, который обильно смазали салом. Таким образом, благодаря смазке и смешанному трению, сила которого гораздо меньше, чем при трении сухом, турки удачно воплотили свой замысел, приведя защитников Константинополя в подлинное смятение.

Султан Мехмед II наблюдает за перевозкой своих судов.

Как видите, знание законов физики и механики не раз и не два находило свое практическое воплощение в реальной жизни.

Но вернемся от истории снова к физике, трение также разделяют на внешнее и внутреннее. Внешнее трение характерно для взаимодействия исключительно твердых тел. Внутреннее трение характеризуется вязкостью и возникает при взаимодействии жидкостей или газов, а такое взаимодействие может происходить внутри условно одного тела. Например, в водах мирового океана есть разные течения, с более холодной или более теплой водой, при взаимодействии этих течений между ними и возникает внутреннее трение.

Как найти

Чтобы рассчитать силу трения необходимо знать коэффициент трения k, который зависит от характера поверхности. Коэффициент трения – постоянная величина и его значение можно узнать из специальной таблицы.

Помимо коэффициента трения необходимо знать силу реакцию опоры N, которая, по сути, равна силе тяжести (гравитации) зависящей от массы тела (m) и ускорения свободного падения. Ее формула будет иметь следующий вид:

N = m * g

Где m – масса тела, а g – ускорение свободного падения, это постоянная величина равная 9,8 м/с².

Формула

Сила трения высчитывается путем произведения реакции опоры N и коэффициента трения k. Формула силы трения будет иметь следующий вид:

F_тр = k * N.

В некоторых формулах коэффициент трения k обозначается символом µ.

Написанные выше расчеты справедливы в самом простом случае, когда тело лежит на строго горизонтальной поверхности.

Если же движение происходит по наклонной плоскости, то расчеты силы трения несколько усложняются. На тело, как и раньше, действует сила гравитации и реакция опоры поверхности, но не в одном направлении.

Таким образом, формула силы трения для тела, которое движется по наклонной поверхности, будет иметь следующий вид:

F_тр = k * m * g * cosα.

Где k – коэффициент трения, m – масса тела, g гравитационная постоянная (помним, что она равна 9,8 м/с²), cosα – отношение катета, прилежащего к углу, к гипотенузе треугольника (косинус).

При определении силы трения на наклонных поверхностях ярко проявляется связь между физикой и геометрией.

Рекомендованная литература и полезные ссылки

• Сила трения. ЗФТШ, МФТИ. Дата обращения 14 февраля 2019.
• Енохович А. С. Справочник по физике. — Просвещение, 1978. — С. 85. — 416 с.
• Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 1. Трение в машинах. Теория, расчет и конструкция подшипников и подпятников скольжения. Машгиз. М.-Л. — 1947. 256 с.
• Bowden F. P., Tabor D. The Friction and Lubrication of Solids. Oxford University Press, 2001.
  Persson Bo N. J.: Sliding Friction. Physical Principles and Applications. Springer, 2002.
• Popov V. L. Kontaktmechanik und Reibung. Ein Lehr- und Anwendungsbuch von der Nanotribologie bis zur numerischen Simulation, Springer, 2009.
• Rabinowicz E. Friction and Wear of Materials. Wiley-Interscience, 1995.

Видео

И в завершении образовательное видео по теме нашей статьи.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

Страница про автора

Трение Определение и значение | Dictionary.com

• Верхние определения
• Синонимы
• Викторина
• Связанный контент
• Примеры
• British
• Medical
• Scientific
• Culutural

22222 гг. На основании уровня, основанный на уровне, на основе уровня, на основе Word’s.

[ frik-shuhn ]

/ ˈfrɪk ʃən /

Сохранить это слово!

См. синонимы для: Friction / Frictionless на Thesaurus.com

Показывает уровень обучения в зависимости от сложности слова.

сущ.

поверхностное сопротивление относительному движению тела при скольжении или качении.

трение поверхности одного тела о поверхность другого.

разногласие или конфликт между людьми, нациями и т. д. из-за различных идей, желаний и т. д.

ДРУГИЕ СЛОВА, ОБОЗНАЧАЮЩИЕ трения

3 разногласия, разногласия, столкновение, антагонизм, раздор, споры.

См. синонимы к слову трение на Thesaurus.com

ВИКТОРИНА

Сыграем ли мы в «ДОЛЖЕН» ПРОТИВ. «ДОЛЖЕН» ВЫЗОВ?

Следует ли вам пройти этот тест на «должен» или «должен»? Это должно оказаться быстрым вызовом!

Вопрос 1 из 6

Какая форма используется для указания обязательства или обязанности кого-либо?

Происхождение трения

1575–85; <Латинское friction- (основа слова frictō) трение, эквивалентное frict(us) (причастие прошедшего времени fricāre) + -iōn--ion

ДРУГИЕ СЛОВА ОТ трения

frictionless, прилагательноеfrictionless, наречие ter friction, существительное non friction, существительное

самотрение, существительное

Слова рядом с трением

fricking, FRICS, трение, фрикционный, фрикционный грунт, фрикционная безработица, фрикционная муфта, фрикционный привод

Dictionary. com Unabridged
На основе Random House Unabridged Dictionary, © Random House, Inc. 2022

Слова, связанные с трением

волнение, эрозия, раздражение, сопротивление, враждебность, антагонизм, неприязнь, ссоры, конфликт, недовольство, разлад, дисгармония, спор, разлад, ссора, ненависть, неприязнь, ссора, обида, соперничество

Как использовать трение в предложении

• Преимущества для рекламодателей, которые уменьшают трение на пути потребителя, многочисленны, и они включают следующие результаты.

  Гонка за беспроблемные потребительские поездки выходит за рамки торговых площадок|acuityads|10 сентября 2020 г.|Digiday

• Правительства также сокращают трения, сборы и сборы, которые тормозят систему.

  Умный стимул: деньги как код|Клэр Битти|9 сентября, 2020|MIT Technology Review

• Давление и трение есть только на поверхности крыла, а также на остальной части самолета, но для целей планирования достаточно рассматривать только крыло.

  Наука о том, как самолет скользит|Питер Гаррисон/Flying Mag|3 сентября 2020 г.|Popular-Science

• Используя компьютерную модель, команда затем рассчитала трение, которое каждый узор будет производить на льду, виниле или твердой древесине. этажей.

  Вырезы, изменяющие форму, улучшают сцепление обуви|Кэролин Уилке|14 июля 2020 г.|Новости науки для студентов

• Это уменьшает трение и позволяет молекулам легче скользить друг относительно друга.

  Астронавты смогут производить цемент из собственной мочи|Лиза Гроссман|16 июня 2020|Новости науки для студентов

• Более высокие транспортные расходы означают дополнительные трения для компаний, работающих в нефтеносных песках Канады.

  Почему трубопровод Keystone XL не может быть построен|Роберт Брайс|19 ноября, 2014|DAILY BEAST

• Но по мере того, как популярность Гарфилда на телевидении росла, связь с Peanuts стала источником трений.

  Телевидение Гарфилда: Кот, который спас мультфильмы в прайм-тайм|Рич Гольдштейн|5 ноября 2014|DAILY BEAST

• Трения между израильтянами и палестинцами насчитываются более 60 лет, и в центре их внимания находится ООН.

  Словесная война между Израилем и ООН продолжается|Бетси Писик|10 августа 2014 г.|DAILY BEAST

• Из-за серьезных разногласий с продюсерами проект провалился.

  Создатель «Стражей Галактики» Джеймс Ганн о своей славной космической опере и восхождении на вершину|Марлоу Стерн|3 августа 2014 г.|DAILY BEAST

• СМИ захотят устроить скачки, и это собирается создать трения между базой и ее записью.

  Может ли этот злобный социалист испортить коронацию Клинтона?|Дэвид Фридлендер|2 июля 2014 г.|DAILY BEAST

• Из-за того, что управляющие лидеры вышли из строя, машина работала не ровно: не было ничего, кроме трения и напряжения.

  Маршалы Наполеона|Р. P. Dunn-Pattison

• Обычно между ключом и поддоном было шесть соединений или источников трения.

  Недавняя революция в органостроении|George Laing Miller

• Это, конечно, увеличило трение и потребовало использования еще более сильной пружины.

  Недавняя революция в органостроении|Джордж Лэйнг Миллер

• Это само по себе, без трения или нагрузки воды, гораздо больше, чем когда-либо прежде выполнял двигатель.

  Жизнь Ричарда Тревитика, Том II (из 2)|Фрэнсис Тревитик

• Тем временем между генералом и его новым главнокомандующим возникли большие трения.

  Маршалы Наполеона|Р. П. Данн-Паттисон

Определение трения в Британском словаре

трение

/ (ˈfrɪkʃən) /

сущ.

сопротивление, возникающее при движении одного тела относительно другого тела, с которым оно находится в контакте

действие, эффект или случай трения одного объекта о другой

несогласие или конфликт; диссонанс

фонетика шипящий элемент звука речи, такой как фрикативный

парфюмированный спирт, используемый для стимуляции кожи головы

Производные формы трения

трение, прилагательное, отсутствие трения, прилагательное

Происхождение слова трения

C16: от французского, от латинского frictiō трение, от fricāre тереть, тереть; относящийся к латинскому friāre to crushle

Английский словарь Коллинза — полное и полное цифровое издание 2012 г.
© William Collins Sons & Co. Ltd., 1979, 1986 © HarperCollins
Publishers 1998, 2000, 2003, 2005, 2006, 2007, 2009, 2012

Медицинские определения трения

трения

[ frĭk′shən ]

n.

Трение одного предмета или поверхности о другой.

Физическая сила, противодействующая относительному движению или стремлению к такому движению двух контактирующих тел.

Медицинский словарь Стедмана The American Heritage®
Copyright © 2002, 2001, 1995, компания Houghton Mifflin. Опубликовано компанией Houghton Mifflin.

Научное определение трения

трение

[ frĭk′shən ]

Сила, действующая на объекты или вещества, соприкасающиеся друг с другом, которая сопротивляется движению объектов или веществ относительно друг друга.♦ Статическое трение возникает между двумя объектами которые не находятся в движении относительно друг друга, как, например, между цементным блоком и деревянным полом. Она увеличивается, чтобы уравновесить силы, которые будут двигать объекты, до определенного максимального уровня силы, после которого объекты начнут двигаться. Она измеряется как максимальная сила, которую тела будут воспринимать до того, как произойдет движение. ♦ Кинетическое трение возникает между телами, которые находятся в движении относительно друг друга, как, например, сила, которая препятствует скольжению цементного блока по деревянному полу. Между двумя твердыми поверхностями кинетическое трение обычно несколько ниже, чем статическое трение, а это означает, что для приведения объектов в движение требуется больше силы, чем для поддержания их в движении. См. также перетаскивание.

Научный словарь American Heritage®
Авторские права © 2011. Опубликовано издательством Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. Все права защищены.

Культурные определения трения

Трение

Сопротивление объекта среде, через которую или по которой он движется, такой как воздух, вода или твердый пол.

Новый словарь культурной грамотности, третье издание
Авторское право © 2005 г., издательство Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. Опубликовано издательством Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. Все права защищены.

Что такое трение? | Живая наука

Живая наука поддерживается своей аудиторией. Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот почему вы можете доверять нам.

(Изображение предоставлено: Getty Images)

Трение – это сопротивление движению одного объекта, движущегося относительно другого. Согласно International Journal of Parallel, Emergent and Distributed Systems , она не рассматривается как фундаментальная сила, как гравитация или электромагнетизм . Вместо этого ученые считают, что это результат электромагнитного притяжения между заряженными частицами на двух соприкасающихся поверхностях.

Ученые начали собирать воедино законы, управляющие трением, в 1400-х годах, согласно книге Механика грунтов , но поскольку взаимодействия настолько сложны, определение силы трения в различных ситуациях обычно требует экспериментов и может нельзя вывести только из уравнений или законов.

На каждое общее правило о трении есть столько же исключений. Например, в то время как две шероховатые поверхности (например, наждачная бумага), трущиеся друг о друга, иногда имеют большее трение, очень гладко отполированные материалы (например, стеклянные пластины), которые были тщательно очищены от всех поверхностных частиц, могут на самом деле очень сильно прилипать друг к другу. согласно Королевского общества (открывается в новой вкладке).

Типы трения

Существует два основных типа трения: статическое и кинетический , согласно журналу Учитель физики (открывается в новой вкладке). Статическое трение действует между двумя поверхностями, которые не движутся друг относительно друга, а кинетическое трение действует между движущимися объектами.

В жидкостях трение представляет собой сопротивление между движущимися слоями жидкости, которое также известно как вязкость. В общем, более вязкие жидкости гуще, согласно журналу Дисфагия , поэтому у меда более жидкое трение, чем у воды.

атомов внутри твердого материала также могут испытывать трение. Например, если твердый блок металла сжимается, все атомы внутри материала движутся, создавая внутреннее трение.

В природе не бывает сред, полностью лишенных трения, по данным Американского физического общества : даже в глубоком космосе мельчайшие частицы материи могут взаимодействовать, вызывая трение.

Атомное трение может создаваться между слоями атомов. (Изображение предоставлено Kronber1)

Коэффициент трения

Два твердых объекта, движущихся друг против друга, испытывают кинетическое трение, согласно журналу Physical Review Letters (открывается в новой вкладке). В этом случае трение представляет собой некоторую долю перпендикулярной силы, действующей между двумя телами (доля определяется числом, называемым коэффициентом трения, который определяется экспериментально). В общем, сила не зависит от площади контакта и не зависит от того, насколько быстро движутся два объекта.

Трение действует и на неподвижные объекты. Согласно журналу Wear (открывается в новой вкладке), статическое трение препятствует движению объектов и, как правило, превышает силу трения, испытываемую теми же двумя объектами, когда они движутся друг относительно друга. Статическое трение — это то, что удерживает коробку на наклонной поверхности от соскальзывания вниз.

Применение трения

Трение играет важную роль во многих повседневных процессах. Например, когда два тела трутся друг о друга, трение приводит к тому, что часть энергии движения превращается в тепло в соответствии с 9.0246 Американское химическое общество (открывается в новой вкладке). Вот почему трение двух палочек друг о друга в конечном итоге вызовет пожар.

Трение также является причиной износа шестерен велосипеда и других механических частей. Вот почему смазочные материалы или жидкости часто используются для уменьшения трения и износа между движущимися частями, согласно Journal of Mechanical Design .

Дополнительные ресурсы

Подробнее о том, как работает трение в космосе, можно узнать из астронавт Пол Ричардс (открывается в новой вкладке). Кроме того, вы можете узнать больше о различных типах трения в этой статье из World Atlas (откроется в новой вкладке).

Библиография

«Логические и информационные аспекты в науке о поверхности: трение, капиллярность и супергидрофобность». Международный журнал параллельных, возникающих и распределенных систем. https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/17445760.2017.1419350 (откроется в новой вкладке)

Ламбе Т.В. и Уитмен Р.В. «Механика грунтов» Том. 10 (1991). Джон Уайли и сыновья. https://books.google.co.uk/books?id=oRLcDwAAQBAJ&pg=PA62&lpg=PA62&dq=laws+of+friction+1400s&source=bl&ots=rKx9ZWwiml&sig=ACfU3U0PBzqILMCPr29_W7mr_HhZt8qqhQ&hl=en&sa=X&ved=2ahUKEwi8i6Of-u31AhWXi1wKHeLaAssQ6AF6BAgsEAM#v=onepage&q=laws %20of%20friction%201400s&f=false

«Влияние шероховатости поверхности на адгезию упругих тел». Труды Королевского общества А (1975). https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspa.1975.0138 (открывается в новой вкладке)

«Влияние температуры поверхности на кинетическое трение». Учитель физики (2005). https://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.1869429 (открывается в новой вкладке)

«Измерение температуры и вязкости подачи нектаро- и медово-густых жидкостей». Дисфагия (2008). https://link.springer.com/article/10.1007/s00455-007-9098-z (открывается в новой вкладке)

«Фотоны — это помеха». Американское физическое общество (2003 г.). https://physics.aps.org/story/v12/st22 (открывается в новой вкладке)

«Природа механических неустойчивостей и их влияние на кинетическое трение». Письма с физическим обзором (2002 г.). https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.89.224301

«О природе статического трения, кинетического трения и ползучести». Одежда (2003). https://www.sciencedirect. com/science/article/abs/pii/S0043164803002345 (открывается в новой вкладке)

«Влияние потерь на трение на эффективность цепной передачи велосипеда». Журнал механического дизайна (2001). https://asmedigitalcollection.asme.org/mechanicaldesign/article-abstract/123/4/598/445688/Effects-of-Frictional-Loss-on-Bicycle-Chain-Drive (открывается в новой вкладке)

Тиа — главный редактор, а ранее — старший писатель журнала Live Science. Ее работы публиковались в журналах Scientific American, Wired.com и других изданиях. Она имеет степень магистра биоинженерии Вашингтонского университета, диплом о высшем образовании в области научного письма Калифорнийского университета в Санта-Круз и степень бакалавра машиностроения Техасского университета в Остине. Тиа была частью команды журнала Milwaukee Journal Sentinel, которая опубликовала серию «Пустые колыбели» о преждевременных родах, получившую множество наград, в том числе медаль Кейси 2012 года за заслуги перед журналистикой.

Трение: определение, коэффициент, уравнение (с диаграммами и примерами)

В реальном мире трение окружает нас повсюду. Когда две поверхности каким-то образом взаимодействуют или толкают друг друга, некоторая механическая энергия преобразуется в другие формы, уменьшая количество энергии, остающееся для движения.

Хотя гладкие поверхности, как правило, испытывают меньшее трение, чем шероховатые поверхности, только в вакууме, где это не имеет значения, действительно отсутствует трение, хотя школьные учебники физики часто ссылаются на такие ситуации для упрощения расчетов.

Трение обычно препятствует движению. Представьте поезд, катящийся по рельсам, или блок, скользящий по полу. В мире без трения эти объекты продолжали бы свое движение бесконечно. Трение заставляет их замедляться и в конечном итоге останавливаться в отсутствие каких-либо других приложенных сил.

Спутники в космосе способны поддерживать свои орбиты с небольшим добавлением энергии благодаря почти идеальному космическому вакууму. Однако низкоорбитальные спутники часто сталкиваются с силами трения в виде сопротивления воздуха и требуют периодической перезагрузки для сохранения курса.

Определение трения

На микроскопическом уровне трение возникает, когда молекулы одной поверхности взаимодействуют с молекулами другой поверхности, когда эти поверхности соприкасаются и толкают друг друга. Это приводит к сопротивлению, когда один такой объект пытается двигаться, сохраняя контакт с другим объектом. Мы называем это сопротивление силой трения. Как и другие силы, это векторная величина, измеряемая в ньютонах.

Поскольку сила трения возникает в результате взаимодействия двух объектов, для определения направления, в котором она будет действовать на данный объект — и, следовательно, направления для его рисования на диаграмме свободного тела — требуется понимание этого взаимодействия. Третий закон Ньютона говорит нам, что если объект A прикладывает силу к объекту B, то объект B прикладывает к объекту A силу, равную по величине, но в противоположном направлении. 0023

Итак, если объект A давит на объект B в том же направлении, что и объект A, сила трения будет действовать в направлении, противоположном направлению движения объекта A. (Обычно это имеет место при трении скольжения, обсуждаемом в следующем разделе). в том же направлении, что и движение объекта А. (Это часто имеет место при трении покоя, которое также обсуждается в следующем разделе.)

Величина силы трения часто прямо пропорциональна нормальной силе или силе, прижимающей две поверхности друг к другу. Константа пропорциональности меняется в зависимости от соприкасающихся поверхностей. Например, вы можете ожидать меньшего трения, когда соприкасаются две «гладкие» поверхности, такие как глыба льда на замерзшем озере, и большее трение, когда соприкасаются две «шероховатые» поверхности.

Сила трения, как правило, не зависит от площади контакта между объектами и относительных скоростей двух поверхностей (за исключением случая сопротивления воздуха, который не рассматривается в этой статье)

Типы трения

Существует два основных типа трения: кинетическое трение и статическое трение. Возможно, вы также слышали о чем-то, называемом трением качения, но, как будет сказано далее в этом разделе, на самом деле это другое явление.

​ Сила кинетического трения ​, также известная как трение скольжения, представляет собой сопротивление из-за взаимодействия поверхностей, когда один объект скользит по другому, например, когда ящик толкают по полу. Кинетическое трение действует против направления движения. Это связано с тем, что скользящий объект давит на поверхность в том же направлении, в котором он скользит, поэтому поверхность прикладывает силу трения обратно к объекту в противоположном направлении.

​ Статическое трение ​ это сила трения между двумя поверхностями, которые толкают друг друга, но не скользят друг относительно друга. В случае, когда коробку толкают по полу, прежде чем коробка начнет скользить, человек должен толкать ее с возрастающей силой, в конечном итоге толкая достаточно сильно, чтобы она двинулась. В то время как толкающая сила увеличивается от 0, сила статического трения также увеличивается, противодействуя толкающей силе, пока человек не приложит достаточно большую силу, чтобы преодолеть максимальную силу статического трения. В этот момент коробка начинает скользить, и начинает действовать кинетическое трение.

Однако статические силы трения также допускают определенные типы движения. Подумайте, что происходит, когда вы идете по полу. Когда вы делаете шаг, вы отталкиваетесь ногой от пола, а пол, в свою очередь, толкает вас вперед. Это происходит из-за статического трения между вашей ногой и полом, и в этом случае сила статического трения направлена ​​в сторону вашего движения. Без статического трения, когда вы отталкиваетесь от пола, ваша нога просто скользила бы, и вы бы шли на месте!

​ Сопротивление качению ​ иногда называют трением качения, хотя это неправильное название, поскольку это потеря энергии из-за деформации контактирующих поверхностей при качении объекта, а не в результате попыток поверхностей скользить друг относительно друга . Это похоже на потерю энергии при отскоке мяча. Сопротивление качению обычно очень мало по сравнению со статическим и кинетическим трением. На самом деле, она вообще редко упоминается в учебниках по физике для колледжей и старших классов.

Сопротивление качению не следует путать со статическим и кинетическим воздействием трения на катящийся объект. Шина, например, может испытывать трение скольжения об ось при повороте, а также трение покоя, удерживающее шину от проскальзывания при качении (трение покоя в этом случае, как и у идущего человека, заканчивается действует вверх в направлении движения.)

Уравнение трения

Как упоминалось ранее, величина силы трения прямо пропорциональна величине нормальной силы, а константа пропорциональности зависит от рассматриваемых поверхностей . Напомним, что нормальная сила — это сила, перпендикулярная поверхности, которая противодействует любым другим силам, приложенным в этом направлении.

Константа пропорциональности представляет собой безразмерную величину, называемую коэффициентом трения , который зависит от шероховатости рассматриваемых поверхностей и обычно обозначается греческой буквой μ .

F_f = \mu F_N

• Это уравнение связывает только величину трения и нормальных сил. Они не указывают в том же направлении!

Обратите внимание, что μ не одно и то же для статического и кинетического трения. Коэффициент часто включает нижний индекс с ​ μ _k ​ относится к коэффициенту кинетического трения и ​ μ _s ​ относится к коэффициенту статического трения. Значения этих коэффициентов для различных материалов можно посмотреть в справочной таблице. Коэффициенты трения для некоторых распространенных поверхностей перечислены в следующей таблице.

0,1042 9.00420447

Обувь на льду0023

https://openstax.org/books/college-physics/pages /5-1-friction

Значения μ для сопротивления качению часто меньше 0,01, и это значительно меньше, поэтому вы можете видеть, что по сравнению с сопротивлением качению часто можно пренебречь.

При работе с трением покоя формулу силы часто записывают следующим образом:

F_f \leq \mu_s F_N

С неравенством, представляющим тот факт, что сила трения покоя никогда не может быть больше сил, противодействующих ей. Например, если вы пытаетесь толкнуть стул по полу, прежде чем стул начнет скользить, будет действовать статическое трение. Но его стоимость будет разной. Если вы приложите к стулу 0,5 Н, то стул будет испытывать 0,5 Н статического трения, чтобы противодействовать этому. Если вы нажимаете с силой 1,0 Н, то статическое трение становится равным 1,0 Н, и так далее, пока вы не нажмете с силой статического трения, превышающей максимальное значение, и стул не начнет скользить.

Примеры трения

​ Пример 1: ​ Какая сила должна быть приложена к металлическому бруску массой 50 кг, чтобы толкнуть его по деревянному полу с постоянной скоростью?

​ Решение: ​ Сначала мы рисуем диаграмму свободного тела, чтобы определить все силы, действующие на блок. У нас есть сила тяжести, действующая прямо вниз, нормальная сила, действующая вверх, толкающая сила, действующая вправо, и сила трения, действующая влево. Поскольку предполагается, что блок движется с постоянной скоростью, мы знаем, что сумма всех сил должна составлять 0,9.0023

Уравнения результирующей силы для этой установки следующие:

F_{netx} = F_{толчок} — F_f = 0\\ F_{nety} = F_N — F_g = 0 получаем:

F_N = F_g = mg = 50\times 9.8 = 490 \text{ N}

Используя этот результат в первом уравнении и находя неизвестную толкающую силу, мы получаем:

F_{push} = F_f = \mu_kF_N = 0,3\times 490 = 147\text{ N}

​ Пример 2: ​ Какой максимальный угол наклона пандуса может быть до того, как лежащий на нем 10-килограммовый ящик начнет скользить? С каким ускорением он будет скользить под этим углом? Предположим μ _s ​ равно 0,3 и ​ μ _k ​ равно 0,2.

​ Решение: ​ Снова начнем с диаграммы свободного тела. Сила тяжести действует прямо вниз, нормальная сила действует перпендикулярно наклону, а сила трения действует вверх по пандусу.

••• Дана Чен | Наука

Для первой части задачи мы знаем, что результирующая сила должна быть равна 0, а максимальная сила трения покоя равна ​ µ _s F _N ​.

Выберите систему координат, совмещенную с рампой, так, чтобы вниз по рампе была положительная ось x. Затем разбейте каждую силу на x- и y -компоненты и напишите суммарные уравнения силы:

F_{netx} = F_g\sin(\theta) — F_f = 0\\ F_{ nety} = F_N — F_g\cos(\theta) = 0

Затем подставьте ​ µ _s F ​ _{​ N ​} для трения и найдите ​ F _N

2 ​

2 ​второе уравнение: 9{-1}(\mu_s)

Подстановка значения 0,3 вместо μ _s дает результат θ = 16,7 градуса.

Во второй части вопроса теперь используется кинетическое трение. Наша диаграмма свободного тела практически такая же. Единственное отличие состоит в том, что теперь мы знаем угол наклона, а результирующая сила не равна 0 в направлении x . Таким образом, наши суммарные уравнения сил принимают вид:

F_{netx} = F_g\sin(\theta) — F_f = ma\\ F_{nety} = F_N — F_g\cos(\theta) = 0

Мы можем найти нормальную силу во втором уравнении, как и раньше, и подставить его в первое уравнение. Делая это, а затем находя и , мы получаем:

F_g\sin(\theta) — \mu_kF_g\cos(\theta) = ma\\ = \cancel{m}g\sin(\theta) — \ mu_k \cancel{m}g\cos(\theta) = \cancel{m}a\\ \implies a = g\sin(\theta) — \mu_kg\cos(\theta)

Теперь это просто вопрос вставка цифр. Окончательный результат:

a = g\sin(\theta) — \mu_kg\cos(\theta) = 9,8\sin(16,7) — 0,2\times 92

Определение, Формула, Сила, Пример, Причина

Когда объект находится в движении или покоится на поверхности или в среде, такой как воздух или вода, возникает сопротивление, которое противодействует его движению и стремится сохранить это в покое. Это сопротивление известно как трение .

Трение играет жизненно важную роль в нашей повседневной жизни. Мы, например, можем ходить или водить машину благодаря наличию трения. Сила трения является результатом взаимодействия между атомами и молекулами. На поверхности два объекта могут казаться очень гладкими, но на молекулярном уровне есть много шероховатых участков, вызывающих трение.

Иногда трение может быть нежелательным, и для его уменьшения используются смазочные материалы различных типов. Например, в машинах, где трение может изнашивать определенные детали, для его уменьшения используются смазочные материалы на масляной основе.

Рис. 1. Визуальное представление взаимодействия двух поверхностей в микроскопическом масштабе. Источник: StudySmarter.

Хотя две соприкасающиеся поверхности могут казаться очень гладкими, в микроскопическом масштабе существует множество пиков и впадин, которые приводят к трению. На практике невозможно создать объект, имеющий абсолютно гладкую поверхность. Согласно закону сохранения энергии никакая энергия в системе никогда не исчезает. В этом случае трение производит тепловую энергию, которая рассеивается через среду и сами объекты.

Статическая сила трения

В системе, если все объекты неподвижны относительно внешнего наблюдателя, сила трения, возникающая между объектами, называется статической силой трения.

Как следует из названия, это сила трения (fs), которая действует, когда взаимодействующие объекты статичны. Поскольку сила трения такая же, как и любая другая сила, она измеряется в ньютонах. Направление силы трения противоположно направлению приложенной силы. Рассмотрим брусок массы m и действующую на него силу F так, что брусок остается в покое.

Рис. 2. Все силы, действующие на массу, лежащую на поверхности. Источник: StudySmarter.

На объект действуют четыре силы: сила тяжести mg, нормальная сила N, сила трения покоя fs и приложенная сила величины F. Объект будет оставаться в равновесии до тех пор, пока величина приложенной силы не станет больше чем сила трения. Сила трения прямо пропорциональна нормальной силе, действующей на объект. Следовательно, чем легче объект, тем меньше трение.

Чтобы убрать знак пропорциональности, мы должны ввести константу пропорциональности, известную как коэффициент трения покоя , обозначенный здесь как μ _s .

Однако в этом случае будет неравенство. Величина приложенной силы увеличится до точки, после которой объект начнет двигаться, и статического трения больше не будет. Таким образом, максимальное значение трения покоя составляет μ _с ⋅Н, и любое значение меньше этого является неравенством. Это можно выразить следующим образом:

Здесь нормальная сила равна N = мг.

Кинетическая сила трения

Как мы видели ранее, когда объект находится в состоянии покоя, действующая сила трения представляет собой трение покоя. Однако, когда приложенная сила больше, чем трение покоя, объект больше не является неподвижным.

Когда объект движется из-за внешней неуравновешенной силы, сила трения, связанная с системой, известна как k инетическая сила трения .

В точке, где приложенная сила превышает статическую силу трения, вступает в действие кинетическое трение. Как следует из названия, это связано с движением объекта. Кинетическое трение не увеличивается линейно с увеличением приложенной силы. Вначале кинетическая сила трения уменьшается по величине, а затем остается постоянной на всем протяжении.

Кинетическое трение можно разделить на три типа: трение скольжения , трение качения и жидкостное трение .

Когда объект может свободно вращаться вокруг оси (сфера на наклонной плоскости), действующая сила трения известна как трение качения .

Когда объект движется в такой среде, как вода или воздух, среда вызывает сопротивление, известное как жидкостное трение .

Под жидкостью здесь понимаются не только жидкости, поскольку газы также считаются жидкостями.

Когда объект не является круглым и может совершать только поступательное движение (блок на поверхности), трение, возникающее при движении этого объекта, называется трение скольжения .

Все три типа кинетического трения можно определить с помощью общей теории кинетического трения. Как и статическое трение, кинетическое трение также пропорционально нормальной силе. Константа пропорциональности в этом случае называется коэффициентом кинетического трения .

Здесь μ _k — коэффициент кинетического трения , а N — нормальная сила.

Значения μ _k и μ _s зависят от характера поверхностей, при этом μ _k обычно меньше, чем μ _s . Типичные значения находятся в диапазоне от 0,03 до 1,0. Важно отметить, что значение коэффициента трения никогда не может быть отрицательным. Может показаться, что объект с большей площадью контакта будет иметь больший коэффициент трения, но вес объекта распределен равномерно и поэтому не влияет на коэффициент трения. См. следующий список некоторых типичных коэффициентов трения.

905 907