Урок 3. Сила тертя спокою

ВИДЕО УРОК

Часто можна спостерігати, як тіло, що рухається під дією сили (тобто в результаті дії на нього іншого тіла або декількох тіл), поступово зупиняється, якщо дія цієї сили припиняється.

При переміщенні одного тіла по поверхні іншого виникають сили, що перешкоджають руху, спрямовані проти руху; вони називаються силами тертя.

ПРИКЛАД:

Припиняється рух частин верстата, якщо вимкнути двигун.

Зупиняється велосипед, якщо велосипедист перестає працювати ногами.

Розігнавшись, можна деякий час ковзати на ковзанах або на лижах. Але якщо не докладати зусиль, ковзання припиняється.

У усіх розглянутих прикладах зупинка тіл викликається тертям.

Сила тертя виникає при безпосередньому зіткненні тіл і завжди спрямована уздовж поверхні зіткнення у відмінності від сили пружності, спрямованої перпендикулярно цій поверхні.

Однією з причин тертя є те, що поверхні тіл, навіть найгладші на вигляд, мають нерівності, горбки і подряпини (шорсткості). На малюнку

ці нерівності зображені у збільшеному виді. Зачіпляючись один за одного, виступи перешкоджають руху одного тіла по поверхні іншого. Існує ще одна причина тертя – взаємне тяжіння молекул дотичних тіл. Коли поверхні тіл, що труться, шорсткі, тертя обумовлене головним чином першою причиною. При дуже гладких, полірованих поверхнях сильніше позначається молекулярна природа тертя.
Тертя можна зменшити в десятки раз, якщо ввести між поверхнями, що труться, мастило. Шар мастила

роз'єднує поверхні тіл, що труться, не дає їм стикатися.

В якості мастила широко застосовуються різні олії.

ПРИКЛАД:

Дуже мале тертя при ковзанні по льоду, наприклад на ковзанах, також пояснюється дією мастила. При русі по льоду між ковзанами і льодом утворюється тонкий шар води, яка грає роль мастила.

При терті швидкість тіла, що рухається, змінюється, а це означає, що на це тіло діє сила.

Сила, за визначенням, – це причина зміни руху тіла, зокрема його швидкості.

Сила, що перешкоджає руху одного тіла по поверхні іншого, називається силою тертя.

Розрізняють декілька видів тертя, залежно від того, як відбувається взаємодія тих, що труться тел.

Тертя проявляється і тоді, коли на нерухоме тіло діє сила, прагнуча перемістити його уздовж поверхні іншого тіла. В цьому випадку тертя заважає тілу зрушитися з місця. Такий вид називається тертям спокою.

З тертям спокою дуже часто доводиться стикатися на практиці.

ПРИКЛАД:

Важкий стіл, шафу важко зрушити з місця: заважає сила тертя спокою.

Тертя спокою проявляється в точках зіткнення провідних коліс автомобіля з дорогою, провідних коліс локомотиву з рейками, в місці зіткнення ніг людини, що йде, з грунтом і так далі.

При сильному зменшенні тертя спокою, наприклад під час ожеледі, провідні колеса автомобіля буксують, прослизають, машина не може рухатися.

Ходити при ожеледі дуже важко, оскільки зі зменшенням тертя спокою ноги починають сильно ковзати.

Простежимо на досвіді за дією сили тертя.

ДОСВІД:

На столі поміщено деяке тіло

До нього прикріплений динамометр, який ниткою, перекинутою через блок, пов'язаний з вантажем. Тіло знаходиться у спокої.
На тіло діє сила

паралельна поверхні зіткнення його із столом і рівна по абсолютному значенню вазі вантажу. Її і показує динамометр. Крім того, на тіло діє сила тяжіння і сила реакції, що урівноважує її, викликана деформацією столу і спрямована перпендикулярно поверхні зіткнення тіла із столом. Якщо вантаж недостатньо великий, тіло залишається у спокої. Це означає, що разом з силою

на тіло діє ще одна сила

рівна їй чисельно, але спрямована в протилежну сторону:

Це і є сила тертя, її називають силою тертя спокою. Збільшимо вантаж, прикріпивши до нього велику гирю. Динамометр покаже, що сила

збільшилася. Але тіло по колишньому залишається у спокої. Означає разом з силою

збільшилася і сила тертя спокою, так що ці дві сили, як і раніше, по абсолютному значенню рівні і спрямовані протилежно один до одного. У цьому і полягає головна особливість сили тертя спокою.

Сила тертя спокою завжди рівна по абсолютному значенню і спрямована протилежно силі, прикладеній до тіла паралельно поверхні зіткнення його з іншим тілом.

Нарешті при деякому певному значенні маси вантажу, тобто і його ваги тіло зрушується і починає ковзати. Існує, отже, певна максимальна сила тертя спокою. І тільки тоді, коли паралельна поверхні сила

стає хоч би трохи більше її, тіло отримує прискорення.

Сила тертя перешкоджає початку руху. Але з іншого боку, бувають такі випадки, коли саме сила тертя спокою служить причиною руху тіла.

ПРИКЛАД:

При ходьбі саме сила тертя спокою

що діє на підошву, повідомляє нас прискорення.

Адже підошва не ковзає назад, і, значить, тертя між нею і грунтом – це тертя спокою. А якщо підошва ковзає, то і ходьба неможлива. Сила ж

рівна і протилежна

повідомляє прискорення Землі.

Так само колеса автомобілів і інших саморушних возів як би відштовхуються від Землі, і ця штовхаюча сила є сила тертя спокою.

Коли в ремінній передачі ремінь примушує обертатися шків,

те силою, що повідомляє прискорення ободу шківа, теж являється сила тертя спокою між приводним ременем і шківом.

Коефіцієнт тертя.

ПРИКЛАД:

Пересувати по підлозі важкий ящик важче, ніж легкий.

При рівномірному пересуванні саней по горизонтальному шляху сила тяги має бути тим більше, чим вантаж, що важче лежить на санях.

Приклади ці показують, що чим важче тіло, тим велику силу тяги потрібно для його рівномірного пересування по поверхні якого-небудь іншого тіла, тим більше, отже, сила тертя.

Вивчимо на досвіді, від чого залежить величина сили тертя.

ДОСВІД:

Скористаємося установкою, зображеною на малюнку,

тільки брусок не навантажуватимемо гирею. Зважимо брусок і визначимо динамометром силу тертя.
Припустимо, що вага бруска (сила тиску)  800 г, а сила тертя, виміряна динамометром, 240 г. Розділивши величину сили тертя на силу тиску, отримаємо:

Покладемо на брусок другою такій же по вазі брусок. Цим ми збільшуємо силу, спрямовану перпендикулярно поверхні зіткнення тіла і столу. Цю силу називають силою тиску. Два бруски давитимуть тепер на дошку з силою  1600 г. Вимірявши динамометром силу тертя, знайдемо, що вона дорівнює  480 г, тобто збільшилася удвічі. Розділивши силу тертя на силу тиску, отримаємо те ж число  0,3

Якщо тепер на другий брусок покласти такий же третій брусок, то при тиску на дошку в  2400 г  сила тертя виявиться рівною  720 г. Відношення сили тертя до сили тиску дорівнюватиме тому ж числу  0,3

яке виходило в перших двох дослідах.

Висновки з дослідів:

– зі збільшенням сили тиску пропорційно збільшується і сила тертя;

– відношення сили тертя до сили тиску не міняється при зміні сили тиску.

Відношення сили тертя ковзання до сили тиску називається коефіцієнтом тертя.

Якщо коефіцієнт тертя позначити буквою  k, силу тиску – F_давл, а силу тертя – F_тр, то наш висновок можна записати у вигляді формули:

При заміні в нашому досвіді гладкої дошки шорсткою отримаємо, що при одній і тій же силі тиску сила тертя збільшиться. Отже збільшиться і коефіцієнт тертя. Досвід показує також, що коефіцієнт тертя змінюється і при заміні одного матеріалу іншим, наприклад дерев'яної дошки металевим листом.

Таким чином, коефіцієнт тертя залежить від властивостей поверхні тіл: від якості їх обробки і матеріалу самих тел.

Для деяких матеріалів коефіцієнт тертя ковзання приведений нижче в таблиці.

Знаючи коефіцієнт тертя і силу тиску, можна розрахувати силу тертя по формулі:

F_тр = kF_давл.

При русі тіла по горизонтальному шляху силою тиску є вага тіла, що означає буквою

Р(F_давл = Р).

ПРИКЛАД:

Яку силу потрібно прикласти, щоб рівномірно рухати дерев'яні сани вагою

Р = 500 кг

по горизонтальній крижаній дорозі ? Коефіцієнт тертя дерева об лід

k = 0,035.

РОЗВ'ЯЗАННЯ:

F_тр = 0,035 × 500 кг = 17,5 кг,

F_тр = F_тяги,

отже

F_тяги, = 17,5 кг.

Способи збільшення і зменшення сили тертя.

У житті і техніці тертя має велике значення.

ПРИКЛАД:

При ходьбі ми відштовхуємося ногами від землі. Якщо ж тертя між підошвою взуття і землею мало, наприклад в ожеледицю, то відштовхуватися від землі важко, ноги при цьому ковзають. Щоб ноги перехожих не ковзали, вулиці в містах посипають піском. При цьому збільшується сила тертя між підошвою взуття і землею.

Іноді колеса автомобіля на слизькій дорозі швидко обертаються, але автомобіль не рухається з місця - машина буксує. Це явище відбувається у тому випадку, коли сила тертя між провідними колесами автомобіля і дорогою мала. Провідні колеса автомобіля сполучені через систему передач з автомобільним двигуном, який їх обертає. Ведучі колесами, зазвичай задніми, автомобіль як би відштовхується від дороги.

Щоб збільшити тертя, дорогу посипають піском, а поверхню шин роблять з ребристими виступами. Взимку, коли дорога буває особливо слизька, на провідні колеса автомобіля іноді доводиться надівати спеціальні ланцюги.

Розглянемо ще один приклад використання тертя.

ПРИКЛАД:

У свердлувального верстата, який є в шкільних майстернях, обертальний рух від двигуна до свердла передається за допомогою ременя. Щоб ремінь не прослизав на шківах, його змащують спеціальною липкою пастою. Це збільшує тертя між ременем і шківом.

У усіх розглянутих прикладах тертя грає корисну роль.

У багатьох випадках тертя шкідливо і його намагаються зменшити.

ПРИКЛАД:

Тертя викликає знос частин машин, що рухаються. Для зменшення тертя поверхні, що труться, роблять гладкими і між ними вводять шар олії (мастило). Застосування мастила зменшує силу тертя в  8 – 10  разів.

Вали машин і верстатів спираються на підшипники. Деталь роз'ємного підшипника, безпосередньо дотична до валу, називається вкладишем. Вкладиш роблять з бронзи, чавуну або сталі. Для зменшення тертя між вкладишем і валом, що обертається, внутрішню поверхню чавунного або сталевого вкладиша покривають особливим матеріалом, найчастіше бабітом (сплав свинцю, олова і інших металів). На малюнку

зображений підшипник, в якому вал  3  при обертанні ковзає по поверхні вкладиша  2. Підшипники такого роду називаються підшипниками ковзання.

Кулькові і роликові підшипники.

Для пересування важких предметів дуже часто під них подкладіваются катки.

Цим прийомом замінюють тертя ковзання тертям кочення. Сила ж тертя кочення, як вже було встановлено, при однаковому навантаженні значно менше сили тертя ковзання. На цьому явищі грунтовано застосування кулькових і роликових підшипників. У таких підшипниках вал, що обертається, не ковзає по нерухомому вкладишу підшипника, а котиться по ньому на сталевих кульках або роликах. Пристрій простих кулькового і роликового підшипників зображено на малюнках:

Внутрішнє кільце підшипника, виготовлене із загартованої сталі, насаджується на вал. Зовнішнє ж кільце закріплюється в корпусі машини. При обертанні валу внутрішнє кільце котиться на кульках або роликах, що знаходяться між кільцями.

Заміна в машинах підшипників ковзання кульковими або роликовими підшипниками дозволяє зменшити силу тертя в  20 – 30  разів.

Кульковими і роликовими підшипниками забезпечуються різноманітні машини: автомобілі, токарні верстати, текстильні машини, електричні двигуни, велосипеди.