Сила трения ℹ️ определение, природа и причины возникновения, виды

Вопросы и ответы

Определение и природа силы трения

Сила трения Ffr возникает, когда два тела касаются друг друга. Это создает препятствия для их дальнейшего движения.

Это происходит, когда взаимодействуют атомы и молекулы, из которых состоят объекты. Следовательно, природа появления — электромагнитные волны. Он работает в двух направлениях, нацеливаясь на оба тела.

При этом значение по модулю не меняется. Если сила действует на одно из двух соприкасающихся тел, то она действует и на другое.

На объект, который остается неподвижным, действует сила трения покоя. Пока значение не превышает внешние помехи, пытающиеся переместить объект, он не изменит положение.

Когда значение увеличивается до определенного предела, оно перемещается в новое место. Тогда появляется сила трения скольжения, направление которой противоположно перемещению тела.

Из-за эффекта трения невозможно двигаться вечно. Движение закончится через определенное время. Если внешняя сила снова превысит величину трения покоя, движение возобновится.

Сухое и вязкое трение

Существует очень большая разница между вашим контактом с водой в бассейне во время плавания и контактом между асфальтом и колесами вашего велосипеда.

Когда речь идет о плавании, мы имеем дело с вязким трением — явлением сопротивления при движении твердого тела в жидкости или воздухе. Самолет также подвержен вязкому трению и грубому голубю из вашего сада.

Но сухое трение — это явление сопротивления при соприкосновении двух твердых тел. Например, если студент ерзает на стуле или злодей из фильма потирает руки, это будет сухое трение.

А если негодяй чистый и потирает руки и капает на них антисептик, то это вязкое трение, несмотря на то, что руки — твердые тела. В данном случае это мокрый слой.

Вязкое трение в школьном курсе физики подробно не рассматривается, а сухое трение разбирается с ног на голову. Сухое трение тоже имеет разновидности, поговорим о них.

Трение покоя

Если вы решите передвинуть грузовик, вряд ли у вас это получится. Дело не в том, что мы вам не верим — просто это невозможно сделать, потому что масса человека во много раз меньше массы грузовика, и даже сила трения мешает это сделать. Мир жесток, что поделаешь.

В случае, когда сила трения есть, но тело не движется, мы имеем дело с покоящейся силой трения.

Сила трения покоя равна силе тяги. Например, если попытаться сдвинуть сани, воздействуя на них силой тяги 10 Н, сила трения будет равна 10 Н.

Статическая сила трения

Ftr = передняя тяга

Ffr — сила трения покоя Н

Fthrust — сила тяги Н

Давайте немного потренируемся!

Задача

Найти силу трения покоя тела, на которое действует сила тяги 4 Н.

Решение:

Тело находится в покое

Fтр = Fтяга = 4 Н

Ответ: Сила трения равна 4 Н.

Трение скольжения

А теперь покатаемся на льду. Каток достаточно гладкий, но как мы уже выяснили, сила трения все же будет присутствовать и будет рассчитываться по формуле:

Сила трения скольжения

Fтр = мкН

Ftr — сила трения скольжения Н

μ — коэффициент трения [—]

N — сила реакции опоры Н

Сила трения, которую мы получим из этой формулы, будет максимально возможной — то есть деваться больше некуда.

Сила реакции опоры – это сила, с которой опора действует на тело. Она численно равна силе нормального давления и противоположна по направлению.

Не совсем. Сила нормального давления всегда направлена ​​перпендикулярно поверхности (нормаль перпендикулярна поверхности). Вес не обязательно направлен перпендикулярно поверхности.

В рамках школьного забега вес всегда направлен перпендикулярно поверхности, так что силу реакции опоры можно численно приравнять весу.

Также, если тело находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры будет равна силе тяжести: N = mg.

Будем бдительны! Из формулы не следует зависимость силы трения от площади контакта. Например, если положить на одну сторону стержень и протащить его по столу, а затем перевернуть на другой, не равный по площади, и сделать то же самое, сила трения не изменится.

Задание 1

Масса лежащего на столе кота 5 кг. Коэффициент трения µ = 0,2. К кошке приложена внешняя сила, равная 2,5 Н. Какая сила трения возникает при этом?

Решение:

По состоянию этой проблемы невозможно понять, шевелится наша кошка или нет. Решение о том, приравниваем ли мы силу трения к силе тяги, нельзя принять сразу. В таких случаях все равно нужно рассчитывать по формуле:

F = мкН

Поскольку кошка лежит на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в этом случае равна силе тяжести: N = mg.

F = мкг = 0,2·5 · 10 = 10Н

Мы добились максимально возможной силы трения. Внешняя сила, судя по состоянию задачи, меньше максимальной. Это означает, что кошка находится в состоянии покоя. Сила трения уравновешивает внешнюю силу. Следовательно, она равна 2,5 Н.

Ответ: сила трения 2,5 Н

Задача 2

Барсук скользит по горизонтальной плоскости. Найти коэффициент трения, если сила трения 5 Н, а сила давления тела на плоскость 20 Н.

Решение:

В этой задаче мы знаем, что барсук скользит. Итак, вам нужно использовать формулу:

Fтр = мкН

Поскольку барсук находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в этом случае равна силе давления на плоскость: N = Fd.

Fтр = мкФд

Выразим коэффициент трения:

М = Fтр / Fд = 5/20 = 0,25

Ответ: коэффициент трения равен 0,25

Задача 3

Пудель вашей бабушки весом 5 кг скользит по горизонтальной поверхности. Сила трения скольжения равна 20 Н. Найти силу трения, если пудель сильно похудел, а масса уменьшилась вдвое, а коэффициент трения не изменился.

Решение:

В этом упражнении мы знаем, что пудель скользит. Итак, вам нужно использовать формулу:

Fтр = мкН

Поскольку пудель находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в этом случае равна силе тяжести: N = мг.

Fтр = мкг

Выразим коэффициент трения:

М = Фтр/мг = 20/5 · 10 = 0,4

Теперь вычислим силу трения для вдвое меньшей массы:

Ответ: Сила трения равна 10 Н.

Задача 4

Студент провел эксперимент по изучению силы трения скольжения, перемещая брусок с грузом равномерно по горизонтальным поверхностям с помощью динамометра.

Результаты экспериментальных измерений массы стержня с грузом m, площади контакта стержня с поверхностью S и приложенной силы F представлены в таблице.

номер эксперимента Флот м, г S, см2 Ф, Ч
1 деревянная игра 200 30 0,8±0,1
2 пластиковый рельс 200 30 0,4±0,1
3 деревянная игра 100 20 0,4±0,1
4 пластиковый рельс 400 20 0,8±0,1

Какие утверждения соответствуют результатам экспериментальных измерений? Из предложенного списка утверждений выберите два правильных.

  1. Коэффициенты трения скольжения во втором и третьем испытаниях одинаковы.
  2. Коэффициент трения скольжения между стержнем и деревянной рейкой больше, чем коэффициент трения скольжения между стержнем и пластиковой рейкой.
  3. Сила трения скольжения зависит от площади контакта стержня с поверхностью.
  4. Сила трения скольжения зависит от типа контактной поверхности.

Решение:

Рассмотрим подробнее каждое утверждение.

  1. В этом случае сила реакции опоры равна силе тяжести. Таким образом, Ftr = µN = µmg.

    Выразим коэффициент трения скольжения:
    μ = Ftr/мг

    Коэффициент трения скольжения во втором испытании равен 0,4/(0,2 · 10) = 0,2.

    В третьем опыте — 0,4/(0,1·10) = 0,4.

    Поэтому утверждение «Коэффициенты трения скольжения во втором и третьем испытаниях равны» неверно.

  2. Как и в первом предложении, коэффициент трения будет рассчитываться по формуле:
    μ = Ftr/мг

    Для деревянной рейки μ = Fтр/мг = 0,8/0,2 · 10 = 0,4

    Для пластикового рельса μ = Fтр / мг = 4,8 / 0,2 · 10 = 0,2

    Отсюда утверждение «Коэффициент трения скольжения между стержнем и деревянной рейкой больше, чем коэффициент трения скольжения между стержнем и пластиковой рейкой.

  3. По формуле Fтр = мкН сила трения не зависит от площади контактной поверхности. Это означает, что утверждение «Сила трения скольжения зависит от площади контакта стержня с поверхностью» неверно.
  4. Если мы проанализируем первый и второй эксперименты, то увидим, что при прочих равных условиях сила меняется. Это означает, что утверждение «Сила трения скольжения зависит от типа контактной поверхности» верно.

Ответ: 25

Читайте также: Что такое силовой трансформатор, его назначение и конструктивные особенности

Трение качения

О колесе совершенно невозможно сказать, скользит оно или отдыхает. В этом случае явно возникает сила трения, так как существует контакт между двумя поверхностями.

В данном случае речь идет о трении качения — сопротивлении движению, если одно тело катится по поверхности другого. При равных нормальных сжимающих силах сила трения скольжения больше силы трения качения. Это явление часто используют, например, ставя колеса на чемодан. И вообще, поставить колеса куда угодно.

Сила трения качения

Ftr = (λN)/R

Ffr — сила трения качения Н

λ — коэффициент трения качения [м]

N — сила реакции опоры Н

R — радиус колеса [м]

Задачи на трение качения встречаются только в задачах с высоким уровнем сложности (например, на олимпиадах). Однако посмотреть на формулу полезно, даже если вы не планируете покорять высочайшую вершину.

Если присмотреться, то она очень похожа на формулу трения скольжения, только в знаменателе стоит радиус. Если увеличить знаменатель, то сила трения уменьшится. Это означает, что чем больше радиус колеса, тем меньше трение.

Ладно, давайте еще решим задачу о силе трения качения — только никому об этом не говорите

Задача

Какого радиуса нужно будет установить колесо, чтобы уменьшить силу трения, равную 17 Н, — на 5 Н. При коэффициенте трения 0,6 мм и силе нормального давления тела, равной 10 кН.

Решение:

Примем формулу силы трения качения:

Ftr = (λN)/R

Выразим из него радиус:

R = (λN)/Ftr

Коэффициент трения качения и сила нормального давления нам даны, и для нахождения силы трения нужно от первоначальной силы трения вычесть ее изменение:

Fтр 2 = Fтр 1 — ΔFтр = 17 — 5 = 12Н

Подставляем числа в формулу, предварительно переведя их в СИ:

СИ – международная система единиц. «Перевести в СИ» означает перевести все значения в метры, килограммы, секунды и другие единицы измерения без префиксов. Исключение составляют килограммы с приставкой «кило».

R = (λN) / Ftr = 0,0006 · 10 000 / 12 = 0,5 м

Ответ: необходимо поставить колесо радиусом 0,5 м.

Избавиться от трения: возможно ли это

Так что идеально гладких поверхностей в реальной жизни не бывает. Это означает, что, пытаясь сделать поверхность совершенно гладкой — скажем, протирая ее в течение миллиона часов сверхмелкой наждачной бумагой, — мы минимизируем трение, но не избавляемся от него.

Но это не значит, что нет способов избавиться от трения. Например, поезда на магнитных подушках вполне реальны. Благодаря магнитному полю, создаваемому между рельсом и вагоном, поезд как бы плывет. Так исключается контакт разных поверхностей, из-за которого создается трение.

Виды силы трения

Основные виды силы трения:

  1. Мир. Он сопротивляется внешним факторам, которые пытаются сдвинуть тело. При их отсутствии значение равно нулю.
  2. Соскальзывать. Он находится в прямой зависимости от коэффициента трения и величины силы, с которой поверхность давит на тело. Направление действия всегда перпендикулярно поверхности. Обычно она ниже максимальной статической силы трения.
  3. Роллинг. Это происходит, когда одно тело катится по поверхности другого. Например, когда колесо велосипеда соприкасается с дорогой или когда работает подшипниковый механизм. Оно имеет гораздо меньший эффект, чем трение скольжения, если другие условия считать неизменными. Ее открытие стало незаменимым для технологии. Колеса и круглые детали, которые вращаются и меняют положение, являются основой многих механизмов и работы транспортных средств.
  4. Спиннинг. Он появляется, когда один объект начинает вращаться на поверхности другого.

 

Само трение может быть нескольких видов:

  • Засуха. Появляется при соприкосновении с твердыми поверхностями. Других материалов и слоев на них не наблюдалось. Это крайне редкое явление в природе и жизни.
  • Вязкий. Его еще называют жидким. Возникает при взаимодействии твердого тела с жидкостью или газом. Они могут проплыть мимо неподвижного объекта. Или он движется в жидком или газообразном веществе. Например, лодку тянут за веревку по реке. Тело заставляет верхний слой жидкости или газа двигаться. Как будто тянет его за собой.

Он, в свою очередь, воздействует на другой слой ниже. Чем дальше от тела, тем ниже скорость слоев. Это связано с уменьшением воздействия от твердого предмета. Между слоями возникает сила трения, так как тела движутся по отношению друг к другу. Он приводит к их торможению, а потому действует на твердое тело и останавливает его. Температура определяет степень вязкости веществ. Он уменьшается, например, при нагреве масла.

Это хорошо видно при работе двигателя автомобиля. Когда автомобиль долгое время стоит на морозе, двигатель необходимо предварительно прогреть для увеличения оборотов. Газы имеют обратную зависимость. Вязкость увеличивается с повышением температуры.

  • Смешанный. Наблюдается при наличии слоя смазки между телами, контактирующими с поверхностями.

Трение также делится на внутреннее и внешнее. Последнее происходит при взаимодействии твердых веществ. Так что к нему можно отнести сухое трение.

Интерьер характеризуется вязкостью. Именно при взаимодействии жидкостей или газов в одном теле происходит перемещение, когда слои движутся по отношению друг к другу.

Как найти силу трения

Чтобы найти силу трения, нужно знать коэффициент трения k, который зависит от свойств поверхности. Это постоянная величина, значение которой берется из таблицы

Также потребуется сила реакции опоры N. Требуемая величина определяется произведением двух величин:

Fтр = k * N

Буква k указывает на коэффициент. Вы также можете увидеть символ µ. Обычно он колеблется от 0,1 до 1.

Например, для резины, движущейся по сухому асфальту, он изменяется от 0,5 до 0,8 при движении. При скольжении металла по дереву — 0,4, железа по чугуну — 0,18.

Сила реакции опоры не отличается от величины силы тяжести, которая зависит от веса тела. Следовательно, значение равно произведению массы тела (m) на ускорение свободного падения (g).

Н=м*г

Это постоянное значение 9,8 м/с². Это правило применяется, когда вы имеете дело с горизонтальной поверхностью. Сила тяжести и реакция опоры уравновешивают друг друга. Поэтому они считаются равными.

При движении по наклонной плоскости ход рассуждений несколько меняется. На объект по-прежнему действуют силы тяжести и реакция опоры, но не в том же направлении.

Зная угол наклона плоскости к горизонту, формула преобразуется и принимает следующий вид:

N = k*m*g*cosα

Здесь необходимо руководствоваться тем, что косинус – это отношение катета, следующего за углом, к гипотенузе треугольника. Это один из тех случаев, который доказывает тесную связь между физикой и тригонометрией.

Пример решения задачи

Задание на применение полученных знаний, связанных с силой трения, поможет закрепить материал.

Назначение. На полу стоит ящик весом 7 кг. Коэффициент трения между ним и полом равен 0,3. К ящику приложена сила 14 Н. Сдвинется ли он?

Решение.

Коробка находится в горизонтальной плоскости. На него действует сила тяжести, которая уравновешивается реакцией опоры. Они направлены перпендикулярно коробу и полу. Итак, чтобы определить силу реакции опоры, умножьте массу ящика на ускорение:

Н = м*г;

Н = 10 кг * 9,8 м/с² = 98 кг * м/с² = 98 Н;

Fтр = к * Н;

Fтр = 0,3*98Н = 29,4 Н.

Ответ: полученное значение превышает усилие, приложенное к ящику сбоку, так как 29,4 Н > 14 Н. Это означает, что он остается на прежнем месте.

Сила трения присутствует в жизни все время. Он предотвращает перемещение объектов и противостоит длительному скольжению и движению. Его ценность зависит от поверхностей, с которыми он соприкасается, их характеристик и свойств.

Площадь контакта не учитывается, но важно положение тела. Например, сила, возникающая при движении автомобиля по ровной поверхности, отличается от величины при его движении по гористой местности, расположенной под углом к ​​горизонту. А если машине приходится ездить по мокрой дороге, значение снова меняется.

Оцените статью
Блог об электричестве
Adblock
detector