Урок 3. Сила трения покоя

ВИДЕО УРОК

Часто можно наблюдать, как тело, движущееся под действием силы (то есть в результате действия на него другого тела или нескольких тел), постепенно останавливается, если действие этой силы прекращается.

При перемещении одного тела по поверхности другого возникают силы, препятствующие движению, направленные против движения; они называются силами трения.

ПРИМЕР:

Прекращается движение частей станка, если выключить двигатель.

Останавливается велосипед, если велосипедист перестаёт работать ногами.

Разогнавшись, можно некоторое время скользить на коньках или на лыжах. Но если не прикладывать усилий, скольжение прекращается.

Во всех рассмотренных примерах остановка тел вызывается трением.

Сила трения возникает при непосредственном соприкосновении тел и всегда направлена вдоль поверхности соприкосновения в отличии от силы упругости, направленной перпендикулярно этой поверхности.

Одной из причин трения является то, что поверхности тел, даже самые гладкие на вид, имеют неровности, бугорки и царапины (шероховатости). На рисунке

эти неровности изображены в увеличенном виде. Зацепляясь друг за друга, выступы препятствуют движению одного тела по поверхности другого. Существует ещё одна причина трения – взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел. Когда поверхности трущихся тел шероховаты, трение обусловлено главным образом первой причиной. При очень гладких, полированных поверхностях сильнее сказывается молекулярная природа трения.
Трение можно уменьшить в десятки раз, если ввести между трущимися поверхностями смазку. Слой смазки

разъединяет поверхности трущихся тел, не даёт им соприкасаться.

В качестве смазки широко применяются различные масла.

ПРИМЕР:

Очень малое трение при скольжении по льду, например на коньках, также объясняется действием смазки. При движении по льду между коньками и льдом образуется тонкий слой воды, которая играет роль смазки.

При трении скорость движущегося тела изменяется, а это означает, что на это тело действует сила.

Сила, по определению, – это причина изменения движения тела, в частности его скорости.

Сила, препятствующая движению одного тела по поверхности другого, называется силой трения.

Различают несколько видов трения, в зависимости от того, как происходит взаимодействие трущихся тел.

Трение проявляется и тогда, когда на неподвижное тело действует сила, стремящаяся переместить его вдоль поверхности другого тела. В этом случае трение мешает телу сдвинуться с места. Такой вид называется трением покоя.

С трением покоя очень часто приходится сталкиваться на практике.

ПРИМЕР:

Тяжёлый стол, шкаф трудно сдвинуть с места: мешает сила трения покоя.

Трение покоя проявляется в точках соприкосновения ведущих колёс автомобиля с дорогой, ведущих колёс локомотива с рельсами, в месте соприкосновения ног идущего человека с почвой и так далее.

При сильном уменьшении трения покоя, например во время гололёда, ведущие колёса автомобиля буксуют, проскальзывают, машина не может двигаться.

Ходить при гололёде очень трудно, так как с уменьшением трения покоя ноги начинают сильно скользить.

Проследим на опыте за воздействием силы трения.

ОПЫТ:

На столе помещено некоторое тело.

К нему прикреплён динамометр, который нитью, перекинутой через блок, связан с грузом. Тело находится в покое.
На тело действует сила

параллельная поверхности соприкосновения его со столом и равная по абсолютному значению весу груза. Её и показывает динамометр. Кроме того, на тело действует сила тяжести и уравновешивающая её сила реакции, вызванная деформацией стола и направленная перпендикулярно поверхности соприкосновения тела со столом. Если груз недостаточно велик, тело остаётся в покое. Это значит, что вместе с силой

на тело действует ещё одна сила

равная ей численно, но направленная в противоположную сторону:

Это и есть сила трения, её называют силой трения покоя. Увеличим груз, прикрепив к нему большую гирю. Динамометр покажет, что сила

увеличилась. Но тело по прежнему остаётся в покое. Значит вместе с силой

увеличилась и сила трения покоя, так что эти две силы, как и прежде, по абсолютному значению равны и направлены противоположно друг к другу. В этом и состоит главная особенность силы трения покоя.

Сила трения покоя всегда равна по абсолютному значению и направлена противоположно силе, приложенной к телу параллельно поверхности соприкосновения его с другим телом.

Наконец при некотором определённом значении массы груза, а значит, и его веса тело сдвигается и начинает скользить. Существует, следовательно, определённая максимальная сила трения покоя. И только тогда, когда параллельная поверхности сила

становится хотя бы немного больше её, тело получает ускорение.

Сила трения препятствует началу движения. Но с другой стороны, бывают такие случаи, когда именно сила трения покоя служит причиной движения тела.

ПРИМЕР:

При ходьбе именно сила трения покоя

действующая на подошву, сообщает нам ускорение.

Ведь подошва не скользит назад, и, значит, трение между ней и почвой – это трение покоя. А если подошва скользит, то и ходьба невозможна. Сила же

равная и противоположная

сообщает ускорение Земле.

Таким же образом колёса автомобилей и других самодвижущихся повозок как бы отталкиваются от Земли, и эта толкающая сила есть сила трения покоя.
Когда в ременной передаче ремень заставляет вращаться шкив,

то силой, сообщающей ускорение ободу шкива, тоже является сила трения покоя между приводным ремнём и шкивом.

Коэффициент трения.

ПРИМЕР:

Передвигать по полу тяжёлый ящик труднее, чем лёгкий.

При равномерном передвижении саней по горизонтальному пути сила тяги должна быть тем больше, чем тяжелее лежащий на санях груз.

Примеры эти показывают, что чем тяжелее тело, тем большая сила тяги требуется для его равномерного передвижения по поверхности какого-нибудь другого тела, тем больше, следовательно, сила трения.

Изучим на опыте, от чего зависит величина силы трения.

ОПЫТ:

Воспользуемся установкой, изображённой на рисунке,

только не будем брусок нагружать гирей. Взвесим брусок и определим динамометром силу трения.
Допустим, что вес бруска (сила давления)  800 г, а сила трения, измеренная динамометром, 240 г. Разделив величину силы трения на силу давления, получим:

Положим на брусок второй такой же по весу брусок. Этим мы увеличиваем силу, направленную перпендикулярно поверхности соприкосновения тела и стола. Эту силу называют силой давления. Два бруска будут давить теперь на доску с силой  1600 г. Измерив динамометром силу трения, найдём, что она равна  480 г, то есть увеличилась вдвое. Разделив силу трения на силу давления, получим то же число  0,3

Если теперь на второй брусок положить такой же третий брусок, то при давлении на доску в  2400 г  сила трения окажется равной  720 г. Отношение силы трения к силе давления будет равно тому же числу  0,3

которое получалось в первых двух опытах.

Выводы из опытов:

– с увеличением силы давления пропорционально увеличивается и сила трения;

– отношение силы трения к силе давления не меняется при изменении силы давления.

Отношение силы трения скольжения к силе давления называется коэффициентом трения.

Если коэффициент трения обозначить буквой  k, силу давления – F_давл, а силу трения – F_тр, то наш вывод можно записать в виде формулы:

При замене в нашем опыте гладкой доски шероховатой получим, что при одной и той же силе давления сила трения увеличится. Следовательно увеличится и коэффициент трения. Опыт показывает также, что коэффициент трения изменяется и при замене одного материала другим, например деревянной доски металлическим листом.

Таким образом, коэффициент трения зависит от свойств поверхности тел: от качества их обработки и материала самих тел.

Для некоторых материалов коэффициент трения скольжения приведён ниже в таблице.

Зная коэффициент трения и силу давления, можно рассчитать силу трения по формуле:

F_тр = kF_давл.

При движении тела по горизонтальному пути силой давления является вес тела, обозначаемый буквой

Р(F_давл = Р).

ПРИМЕР:

Какую силу надо приложить, чтобы равномерно двигать деревянные сани весом

Р = 500 кг

по горизонтальной ледяной дороге ? Коэффициент трения дерева о лёд

k = 0,035.

РЕШЕНИЕ:

F_тр = 0,035 × 500 кг = 17,5 кг,

F_тр = F_тяги,

следовательно

F_тяги = 17,5 кг.

Способы увеличения и уменьшения силы трения.

В жизни и технике трение имеет большое значение.

ПРИМЕР:

При ходьбе мы отталкиваемся ногами от земли. Если же трение между подошвой обуви и землёй мало, например в гололёдицу, то отталкиваться от земли трудно, ноги при этом скользят. Чтобы ноги прохожих не скользили, улицы в городах посыпают песком. При этом увеличивается сила трения между подошвой обуви и землёй.

Иногда колёса автомобиля на скользкой дороге быстро вращаются, но автомобиль не двигается с места – машина буксует. Это явление происходит в том случае, когда сила трения между ведущими колёсами автомобиля и дорогой мала. Ведущие колёса автомобиля соединены через систему передач с автомобильным двигателем, который их вращает. Ведущие колёсами, обычно задними, автомобиль как бы отталкивается от дороги.

Чтобы увеличить трение, дорогу посыпают песком, а поверхность шин делают с ребристыми выступами. Зимой, когда дорога бывает особенно скользкая, на ведущие колёса автомобиля иногда приходится надевать специальные цепи.

Рассмотрим ещё один пример использования трения.

ПРИМЕР:

У сверлильного станка, который имеется в школьных мастерских, вращательное движение от двигателя к сверлу передаётся при помощи ремня. Чтобы ремень не проскальзывал на шкивах, его смазывают специальной липкой пастой. Это увеличивает трение между ремнём и шкивом.

Во всех рассмотренных примерах трение играет полезную роль.

Во многих случаях трение вредно и его стараются уменьшить.

ПРИМЕР:

Трение вызывает износ движущихся частей машин. Для уменьшения трения трущиеся поверхности делают гладкими и между ними вводят слой масла (смазку). Применение смазки уменьшает силу трения в  8 – 10  раз.

Валы машин и станков опираются на подшипники. Деталь разъёмного подшипника, непосредственно соприкасающаяся с валом, называется вкладышем. Вкладыш делают из бронзы, чугуна или стали. Для уменьшения трения между вкладышем и вращающимся валом внутреннюю поверхность чугунного или стального вкладыша покрывают особым материалом, чаще всего баббитом (сплав свинца, олова и других металлов). На рисунке

изображён подшипник, в котором вал  3  при вращении скользит по поверхности вкладыша  2. Подшипники такого рода называются подшипниками скольжения.

Шариковые и роликовые подшипники.

Для передвижения тяжёлых предметов очень часто под них подкладываются катки.

Этим приёмом заменяют трение скольжения трением качения. Сила же трения качения, как уже было установлено, при одинаковой нагрузке значительно меньше силы трения скольжения. На этом явлении основано применение шариковых и роликовых подшипников. В таких подшипниках вращающийся вал не скользит по неподвижному вкладышу подшипника, а катится по нему на стальных шариках или роликах. Устройство простейших шарикового и роликового подшипников изображено на рисунках:

Внутреннее кольцо подшипника, изготовленное из закалённой стали, насаживается на вал. Наружное же кольцо закрепляется в корпусе машины. При вращении вала внутреннее кольцо катится на шариках или роликах, находящихся между кольцами.

Замена в машинах подшипников скольжения шариковыми или роликовыми подшипниками позволяет уменьшить силу трения в  20 – 30  раз.

Шариковыми и роликовыми подшипниками снабжаются разнообразные машины: автомобили, токарные станки, текстильные машины, электрические двигатели, велосипеды.