uabooks.top » Физика » 13. Сила трения
Інформація про новину
  • Переглядів: 41
  • Дата: 1-12-2020, 01:29
1-12-2020, 01:29

13. Сила трения

Категорія: Физика




Почему профили самолетов и подводных лодок напоминают контуры тела дельфина? Почему зимой автомобили «переобувают» в шипованную резину? Почему трудно двигаться в гололед? Как «падает» парашютист? Как уменьшить силу трения? А может, ее не стоит уменьшать, а наоборот, нужно увеличивать? Что будет, если трение исчезнет вообще?

 

1. Вспоминаем силу трения

При любом движении тело обязательно контактирует с микро- или макротелами вокруг (поверхностью другого тела, частицами жидкости или газа, внутри которых тело движется, и т. д.). При таком контакте возникают силы, замедляющие движение тела, — силы трения.

Сила трения F — это сила, возникающая при движении или попытке движения одного тела по поверхности другого либо при движении тела внутри жидкой или газообразной среды.

Сила трения всегда направлена вдоль поверхности соприкасающихся тел и противоположно направлению скорости их относительного движения (рис. 13.1).

Трение между поверхностью твердого тела и окружающей жидкой или газообразной средой называют сопротивлением среды или жидким (вязким) трением. Трение между поверхностями двух соприкасающихся твердых тел называют сухим трением.

 

2. Почему возникает сила сухого трения

Если рассмотреть поверхность любого тела в лупу, можно увидеть множество мелких неровностей. Когда одно тело скользит или пытается скользить по поверхности другого, неровности цепляются друг за друга и деформируются. Возникают силы упругости, направленные в сторону, противоположную деформации (рис. 13.2). Это одна из причин возникновения силы сухого трения.

Есть и другие причины. Так, в некоторых местах выступы тел плотно прижаты друг

к другу — расстояние между ними настолько мало, что действуют силы межмолекулярного притяжения, в результате чего выступы оказываются как бы «склеенными». Понятно, что такое «склеивание» происходит в ходе всего движения и препятствует ему.

И сила упругости, и сила межмолекулярного притяжения имеют электромагнитное происхождение, поэтому природа силы сухого трения — электромагнитная.

На рис. 13.3 найдите минимум два примера, когда изменяют силу сухого трения, увеличивая или уменьшая неровности поверхностей.

 

3. Какие существуют виды сухого трения

Различают три вида сухого трения: трение покоя, трение скольжения, трение качения.

Если вы попробуете, прикладывая небольшую силу, сдвинуть с места санки с тяжелым грузом, они не сдвинутся, поскольку возникнет сила трения покоя, которая уравновесит прилагаемую внешнюю силу.

Рис. 13.4. Внешние силы пытаются сдвинуть тело. Сила трения покоя, возникающая при этом, уравновешивает внешние силы, и тело находится в состоянии покоя

Сила трения покоя F Д — это сила трения, возникающая между соприкасающимися поверхностями двух тел и препятствующая возникновению их относительного движения.

Сила трения покоя всегда равна по модулю и противоположна по направлению равнодействующей внешних сил FBHem, которая пытается сдвинуть тело с места (рис. 13.4):

Чем большая сила будет приложена, тем больше будет сила трения покоя. Наконец при определенном значении равнодействующей внешних сил (а следовательно, и силы трения покоя) тело сдвинется с места. То есть сила трения покоя имеет некоторое максимальное значение.

Чаще всего действие силы трения покоя «полезно»: благодаря ей вещи не выскальзывают из рук, грифель карандаша оставляет след на бумаге; эта сила позволяет выполнять повороты, удерживает корни растений в почве. Благодаря силе трения покоя передвигаются люди, животные, транспорт (рис. 13.5).

Рис. 13.5. Шины автомобиля в момент соприкосновения с поверхностью дороги по сути пытаются осуществить движение назад. В результате возникает сила трения покоя, направленная вперед, — движущая сила

В технике, на транспорте, в быту часто принимают меры для увеличения максимальной силы трения покоя: на ступеньки и обувь наклеивают противоскользящие накладки, автомобили «переобувают» в зимние шины и т. д.

Приведите еще несколько подобных примеров.

После того как равнодействующая внешних сил становится равной максимальной силе трения покоя, тело начинает скольжение, — и тогда говорят о силе трения скольжения.

Рис. 13.6. Когда сила трения покоя достигает максимального значения, тело трогается с места (начинает скольжение)

Сила трения скольжения F к— это сила, возникающая при скольжении одного тела по поверхности другого и направленная в сторону, противоположную направлению относительной скорости движения тел.

Сила трения скольжения действует вдоль поверхности соприкосновения тел, и она немного меньше максимальной силы трения покоя (рис. 13.6). Именно поэтому тела сдвигаются с места рывком и сдвинуть их труднее, чем затем перемещать. Это особенно заметно, когда тела массивные.

Ваш жизненный опыт показывает, что сила трения скольжения зависит от свойств соприкасающихся поверхностей и увеличивается с увеличением силы нормальной реакции опоры (рис. 13.7). Закон, отражающий зависимость FTp ск (N), был экспериментально установлен французским ученым Г. Амонто-ном (1663-1705) и проверен его соотечественником Ш. Кулоном (1736-1806), поэтому называется закон Амонтона — Кулона:

Сила трения скольжения не зависит от площади соприкосновения тел и прямо пропорциональна силе N нормальной реакции опоры:

Здесь

коэффициент трения скольжения, который зависит от материалов и качества обработки соприкасающихся поверхностей, незначительно зависит от относительной скорости движения соприкасающихся поверхностей и является безразмерной величиной:

Рис. 13.7. Сила трения скольжения зависит от качества и рода поверхностей (а) и увеличивается с увеличением силы нормальной реакции опоры (б)

Значения коэффициентов трения скольжения устанавливают исключительно экспериментально. Обычно таблицы коэффициентов трения скольжения содержат ориентировочные средние значения для пар материалов (см. таблицу).

Силу трения скольжения можно уменьшить, смазав соприкасающиеся поверхности. Твердая смазка изменяет качество поверхности; жидкая смазка отдаляет соприкасающиеся поверхности друг от друга — сухое трение заменяется значительно более слабым жидким трением.

Трение существенно уменьшится, если между соприкасающимися поверхностями расположить твердые катки, то есть скольжение заменить качением. Опыты показывают, что при одинаковых условиях сила трения качения в десятки раз меньше, чем сила трения скольжения.

Одна из причин возникновения силы трения качения заключается в том, что поверхность, по которой движется шарообразное тело (цилиндр, колесо, шар), деформируется, поэтому тело все время словно закатывается на небольшую наклонную плоскость (рис. 13.8). Чем больше деформация поверхности, тем больше угол наклона плоскости и тем больше сила трения качения. Именно поэтому сила трения качения:

• уменьшается с увеличением твердости поверхности, по которой катится тело, и твердости материала, из которого изготовлено тело;

• увеличивается с увеличением давления тела на поверхность;

• уменьшается с увеличением радиуса тела.

4. Сила сопротивления среды

Сила сопротивления среды (сила вязкого трения)

сила, возникающая при движении тела внутри жидкости или газа.

Рассмотрим причины возникновения силы сопротивления среды.

1. Ламинарное обтекание. Если твердое тело движется внутри жидкости или газа, то прилегающие слои среды движутся вместе с телом (рис. 13.9). Чем больше вязкость среды, тем больше ее слоев вовлекаются в движение.

2. Лобовое сопротивление. Частицы среды сталкиваются с телом и замедляют его движение.

3. Вихревое обтекание. Если тело движется с большой скоростью, то ламинарное обтекание переходит в вихревое: непосредственно за телом

образуется зона пониженного давления, и тело как бы втягивается в эту зону, замедляя свое движение.

Сила сопротивления среды существенно зависит от формы тела (рис. 13.10).

Рис. 13.10. При одинаковых условиях наибольшая сила сопротивления действует на шайбу (а), наименьшая — на тело каплевидной (обтекаемой) формы (в)

Сила сопротивления среды увеличивается:

1) с увеличением скорости υ движения тела; при этом:

νκ — критическая скорость — скорость движения тела, при которой ламинарное обтекание переходит в вихревое

2) с увеличением площади поперечного сечения тела. Например, при падении парашютист набирает значительную скорость, однако сразу после раскрытия парашюта сила сопротивления воздуха резко увеличивается и парашютист начинает тормозить

3) с увеличением плотности и вязкости среды, при некоторых изменениях качества поверхности:

• увеличение плотности среды увеличивает лобовое сопротивление;

• увеличение вязкости среды и некоторые неровности поверхности тела способствуют вовлечению в движение большего количества прилегающих слоев среды

Акулы, дельфины, рыбы могут двигаться достаточно быстро. Какие особенности конфигурации их головы, особенности формы и поверхности их тел этому способствуют?

Обратите внимание! Не существует силы жидкого трения покоя. То есть если тело, расположенное в жидкой или газообразной среде, находится в состоянии покоя относительно среды, то сила сопротивления среды на него не действует.

А почему же тогда могут парить аисты, планеры, даже белки (рис. 13.11)? Какая сила компенсирует силу тяжести?

 

5. Учимся решать задачи

Задача. На горизонтальной дороге автомобиль выполняет поворот радиусом 45 м. Какую наибольшую скорость может иметь автомобиль, чтобы «вписаться» в поворот, если коэффициент трения скольжения шин об асфальт μ= 0,5?

Анализ физической проблемы. Автомобиль «не впишется» в поворот, если FTр п, направленная к центру окружности, достигнет максимального значения и «перейдет» в силу трения скольжения.

Обратите внимание: кроме силы трения покоя, направленной к центру окружности и препятствующей боковому скольжению автомобиля, существует еще сила трения покоя, препятствующая проскальзыванию колес вдоль направления движения автомобиля, — она и является силой тяги автомобиля (рис. 13.12).

Выполним пояснительный рисунок, указав силы, действующие на автомобиль, и направление ускорения его движения. Систему координат свяжем с телом на поверхности Земли.

Подводим итоги

Сила трения — это сила, возникающая при движении или попытке движения одного тела по поверхности другого, а также при движении тела внутри жидкой или газообразной среды. Сила трения всегда направлена вдоль поверхностей соприкасающихся тел и противоположно скорости их относительного движения.

• Различают силы трения покоя, трения скольжения, трения качения и сопротивления среды. Все эти силы, кроме силы трения качения, имеют электромагнитную природу.

♦ Сила трения покоя равна по модулю и противоположна по направлению равнодействующей внешних сил, действующих на тело:

Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормальной реакции опоры:

Коэффициент трения скольжения μ зависит от материалов соприкасающихся поверхностей и качества их обработки.

Сила трения качения прямо пропорциональна силе нормальной реакции опоры, намного меньше силы трения скольжения, зависит от радиуса тела, материала и твердости соприкасающихся поверхностей.

Сила сопротивления среды существенно зависит от формы тела, увеличивается с увеличением скорости движения тела, площади его поперечного сечения, а также с увеличением вязкости и плотности среды.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение силы трения. 2. Какие виды трения вы знаете? 3. Каковы причины возникновения сухого трения? жидкого трения? 4. Почему силу трения покоя называют движущей силой? 5. Дайте определение силы трения скольжения. Как она направлена и по какой формуле ее вычисляют? 6. Как можно уменьшить (увеличить) силу трения? Приведите примеры. 7. От каких факторов зависит сила сопротивления среды? Приведите примеры.

Упражнение № 13

1. Почему опасно ехать на автомобиле по мокрой или обледенелой дороге?

2. Почему, если машина забуксовала, под колеса подкладывают бревна?

3. Почему спринтерские дистанции преодолевают в шипованной обуви, а стайерские — в мягкой?

Вычислите тормозной путь и время торможения автомобиля, если перед торможением он двигался по прямому горизонтальному участку дороги со скоростью 72 км/ч. Коэффициент трения скольжения резины по бетону 0,8. Упряжка собак начинает тянуть с постоянной силой 150 Н санки массой 100 кг. За какой интервал времени санки проедут первые 200 м пути? Считайте, что коэффициент трения скольжения полозьев по снегу равен 0,05.

6. Рабочий толкает вагонетку с силой, направленной вниз под углом 45° к горизонту. Какую наименьшую силу должен приложить рабочий, чтобы сдвинуть вагонетку с места, если ее масса 300 кг, а коэффициент сопротивления движению 0,01*? Вагонетка стоит горизонтально.

7. Приведите примеры современных механизмов, приспособлений, транспортных средств, создавая которые, конструкторы «подсмотрели» в природе способы увеличения или уменьшения сил трения и сопротивления сред. При необходимости воспользуйтесь дополнительными источниками информации.

Экспериментальное задание

Воспользовавшись подручными средствами (резиновый шнур, тела различных форм, пылесос, кусочек картона, сосуд с водой, металлический шарик и др.), проведите ряд простых опытов (см., например, рисунок) по выявлению факторов, от которых зависит сопротивление среды (либо сила сухого трения). Подготовьте фото- или видеоотчет.

Напомним: в подобных задачах используют коэффициент сопротивления движению (μ), учитывающий все виды трения (трение качения колес, трение скольжения

в осях и т. п.). В таких задачах силу сопротивления -Fconp вычисляют по формуле

 

Это материал учебника Физика 10 класс Барьяхтар, Довгий

 





^