Урок 4. Сила трения скольжения

ВИДЕО УРОК

Сила трения скольжения возникает, если одно тело скользит по поверхности другого тела. Если сила, приложенная к телу параллельно поверхности соприкосновения его с другим телом, хотя бы немного превосходит максимальную силу трения покоя, тело получает ускорение и начинает скользить по поверхности другого тела. Но и в этом случае на тело действует сила трения.

При скольжении одного тела по другому, говорят о силе трении скольжения. Трение скольжения характеризуется силой трения, которая тормозит движение скольжения.

ПРИМЕР:

Трение при движении саней по снегу.

Трение рубанка по дереву.

Трение пилы, зажатой в распиле бревна.

Измерение показывает, что по абсолютному значению она приблизительно равна максимальной силе трения покоя. Направлена же сила трения скольжения всегда в сторону, противоположную направлению относительной скорости соприкасающихся тел. Это самая важная особенность силы трения скольжения.

Направление силы трения (скольжения) противоположно направлению скорости движения тела относительно соприкасающегося с ним тела.

Ускорение, сообщаемое телу силой трения, также направлено противоположно направлению его относительной скорости, то есть сила трения скольжения всегда приводит к уменьшению относительной скорости тела.

ПРИМЕР:

Чтобы измерить силу трения скольжения деревянного бруска по доске, поступим следующим образом. Положим брусок на горизонтальную доску и нагрузим его гирей. Будем равномерно двигать брусок по доске при помощи динамометра.

По показанию динамометра определим силу тяги. Силой сопротивления в данном случае является сила трения, возникающая при движении бруска по поверхности доски.

В случае равномерного движения бруска сила тяги равна силе трения.

Таким образом, измерив силу тяги, мы найдём силу трения.

Пользуясь динамометром, можно таким образом определить силу трения скольжения и в других случаях, например при движении саней по снегу, при передвижении какого-нибудь груза по полу и так далее. Необходимо только, чтобы перемещение саней или груза было равномерным.

Так же как и максимальная сила трения покоя, сила трения скольжения пропорциональна силе давления, действующей на тело. 

Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе реакции опоры и коэффициенту трения скольжения.

Сила трения скольжения равна произведению коэффициента трения скольжения на силу реакции опоры и вычисляется по формуле:

F_тр = kF_давл.

Коэффициент пропорциональности  k  здесь тот же, что и в формуле для максимальной силы трения покоя.

При увеличении веса тела и коэффициента трения увеличивается сила трения. Сила трения скольжения действует в тех случаях, когда тело движется или его пытаются сдвинуть с места.

Сила реакции опоры – сила, при помощи которой опора действует на тело. Сила реакции опоры – сила, при помощи которой опора давит на тело, которое находится на ней. Из третьего закона Ньютона следует, что сила реакции опоры всегда равна силе, при помощи которой тело воздействует на опору. На неподвижной горизонтальной поверхности сила реакции опоры всегда равна весу тела или силе тяжести:

F_р = F_т.

На наклонной плоскости сила тяжести и сила, при помощи которой тело воздействует на опору, различаются.

Сила реакции опоры всегда направлена перпендикулярно поверхности опоры.

Из формулы для силы трения видно, что коэффициент  k  равен отношению абсолютных значений силы трения и силы давления, или другими словами это отношение силы трения к силе реакции опоры.

Обычно коэффициент трения меньше единицы. Это значит, что сила трения меньше силы давления.

Коэффициент трения между двумя любыми материалами легко определить, если возможно измерить силу трения, которая равна силе тяги, при которой тело перемещается равномерно, и силу тяжести, которая на горизонтальной поверхности равна силе реакции опоры.

Коэффициент трения скольжения не имеет размерности.

ПРИМЕР:

Если коэффициент трения о поверхность стола

равен  0,5, то это значит, что при весе бруска в  20 Н  его можно сдвинуть с места и двигать по столу, приложив к нему силу в  10 Н.

Коэффициент трения характеризует не тело, на которое действует сила трения, а сразу два тела, трущиеся друг о друга. Значение его зависит от того, из каких материалов сделаны трущиеся тела, как обработаны их поверхности, от чистоты поверхностей и так далее.

Опыты показали, что сила трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей и от относительного положения тел. Коэффициент трения, например, конька о лёд одинаков на всём протяжении ледяной дорожки, если, конечно, поверхность льда всюду одинакова. Таким образом, сила трения является исключением из общего правила, по которому сила, действующая на тело, зависит от его положения относительно того тела, с которым оно взаимодействует. Сила трения, оказывается, зависит не от положения тела, а от его скорости. Впрочем, абсолютное значение силы трения двух твёрдых тел от их относительной скорости тоже мало зависит. Зависимость силы трения от скорости состоит в том, что 

при изменении направления скорости изменяется и направление силы трения.

Значение коэффициента трения для некоторых материалов указаны в таблице:

Пары материалов	Коэффициент трения скольжения
Сталь — лёд (коньки)	0,015
Древесина — древесина	0,2–0,5
Покрышка — мокрый асфальт	0,35–0,45
Покрышка — сухой асфальт	0,50–0,75
Резина по бетону	0,75
Сталь по стали	0,2

Если сравнивать коэффициенты трения покрышки на сухом и мокром асфальте, то на мокром асфальте у одной и той же машины коэффициент трения, а также сила трения почти в  2  раза меньше, чем на сухом асфальте. В результате также увеличивается замедление торможения почти в  2  раза, поэтому тормозной путь может увеличиться почти в   4  раза.

Эти значения коэффициента трения относятся к несмазанным поверхностям. Смазка существенно уменьшает силу трения.

ПРИМЕР:

Сталь по стали со смазкой скользит так же легко, как сталь по льду: коэффициент трения составляет всего  0,04.

Трение между соприкасающимися твёрдыми телами (без смазки) называют сухим трением.

У силы трения имеются как положительные, так и отрицательные свойства. Если бы не было силы трения, то мы не могли бы оттолкнуться при ходьбе от земли, а машина не могла бы <<оттолкнуться>> от поверхности дороги.

Там, где трение полезно, его увеличивают, а там, где оно вредно, – его уменьшают.

В технике трение между различными вращающимися и скользящими поверхностями весьма нежелательно.

Во всех машинах часть затраченной работы идёт на преодоление силы трения, в результате чего трущиеся тела нагреваются. В этих случаях трение вредно, его необходимо уменьшить.

Для уменьшения силы трения применяют смазку. Смазка, располагаясь тонким слоем на поверхности трущихся тел, заполняет шероховатости, и в этом случае не трутся одна о другую поверхности соприкасающихся тел, а скользят друг относительно друга слои смазки.

При решении задач о движении тел, на которые действует сила трения, надо всегда иметь в виду, что сила трения скольжения, действующая на тело, направлена в сторону, противоположную относительной скорости движения. Поэтому, чтобы нарисовать вектор силы трения, прежде всего надо определить направление движения тела.

ЗАДАЧА

Тело равномерно движется по плоскости. Сила давления тела на плоскость равна  20 Н, сила трения  5 Н. Найдите коэффициент трения скольжения.

РЕШЕНИЕ:

Сила давления на плоскость, сила трения и коэффициент трения связаны соотношением

F_тр = kР.

Следовательно, коэффициент трения скольжения равен:

ОТВЕТ:  0,25

Сила трения качения.

При движении автомобиля, вагона, телеги их колёса не скользят, а катятся по различным поверхностям: шоссе, рельсам, грунту.

Трение в таком случае называется трением качения.

Трением качения называется сопротивление, возникающее при качении одного тела по поверхности другого.

ОПЫТ:

Положим брусок, о котором говорилось выше, с той же с нагрузкой на две круглые палочки.

Если теперь измерить силу трения, то она окажется значительно меньше, чем при скольжении.

ПРИМЕР:

Установим наклонно книгу и положим на неё вдоль наклона круглый карандаш. Карандаш останется в покое.

Положим теперь карандаш поперёк наклона – он скатится с книги.

При равных нагрузках сила трения качения всегда меньше силы трения скольжения.

Шариковые и роликовые подшипники.

Для уменьшения силы трения заменяют трение скольжения трением качения, используя шариковые либо роликовые подшипники

ПРИМЕР:

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.

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.