Урок 4. Сила тертя ковзання

ВИДЕО УРОК

Сила тертя ковзання виникає, якщо одне тіло ковзає по поверхні іншого тіла. Якщо сила, прикладена до тіла паралельно поверхні зіткнення його з іншим тілом, хоч би трохи перевершує максимальну силу тертя спокою, тіло отримує прискорення і починає ковзати по поверхні іншого тіла. Але і в цьому випадку на тіло діє сила тертя.

При ковзанні одного тіла по іншому, говорять про силу терті ковзання.Тертя ковзання характеризується силою тертя, яка гальмує рух ковзання.

ПРИКЛАД:

Тертя при русі саней по снігу.

Тертя рубанка по дереву.

Тертя пили, затиснутої в розпилюванні колоди.

Вимір показує, що по абсолютному значенню вона приблизно дорівнює максимальній силі тертя спокою. Спрямована ж сила тертя ковзання завжди убік, протилежну до напряму відносної швидкості дотичних тіл. Це найважливіша особливість сили тертя ковзання.

Напрям сили тертя (ковзання) протилежний до напряму швидкості руху тіла відносно дотичного до нього тіла.

Прискорення, що повідомляється тілу силою тертя, також спрямоване протилежно напряму його відносної швидкості, тобто сила тертя ковзання завжди призводить до зменшення відносної швидкості тіла.

ПРИКЛАД:

Щоб виміряти силу тертя ковзання дерев'яного бруска по дошці, поступимо таким чином. Покладемо брусок на горизонтальну дошку і навантажимо його гирею. Рівномірно рухатимемо брусок по дошці за допомогою динамометра.

По свідченню динамометра визначимо силу тяги. Силою опору в даному випадку є сила тертя, що виникає при русі бруска по поверхні дошки.

У разі рівномірного руху бруска сила тяги дорівнює силі тертя.

Таким чином, вимірявши силу тяги, ми знайдемо силу тертя.

Користуючись динамометром, можна таким чином визначити силу тертя ковзання і в інших випадках, наприклад при русі саней по снігу, при пересуванні якого-небудь вантажу по підлозі і так далі. Необхідно тільки, щоб переміщення саней або вантажу було рівномірним.

Так само як і максимальна сила тертя спокою, сила тертя ковзання пропорційна силі тиску, що діє на тіло.

Сила тертя ковзання прямо пропорційна силі реакції опори і коефіцієнту тертя ковзання.

Сила тертя ковзання дорівнює добутку коефіцієнта тертя ковзання на силу реакції опори і обчислюється за формулою:

F_тр = kF_давл.

Коефіцієнт пропорціональності  k  тут той же, що і у формулі для максимальної сили тертя спокою.

При збільшенні ваги тіла і коефіцієнта тертя збільшується сила тертя. Сила тертя ковзання діє в тих випадках, коли тіло рухається або його намагаються зрушити з місця.

Сила реакції опори – сила, за допомогою якої опора діє на тіло. Сила реакції опори – сила, за допомогою якої опора тисне на тіло, яке знаходиться на ній. Сила реакції опори завжди дорівнює силі, за допомогою якої тіло впливає на опору. На нерухомою горизонтальній поверхні сила реакції опори завжди дорівнює вазі тіла або сили тяжіння:

F_р = F_т.

На похилій площині сила тяжіння і сила, за допомогою якої тіло впливає на опору, розрізняються.

Сила реакції опори завжди спрямована перпендикулярно поверхні опори.

З формули для сили тертя видно, що коефіцієнт  k  дорівнює відношенню абсолютних значень сили тертя і сили тиску, або іншими словами це відношення сили тертя до сили реакції опори.

Зазвичай коефіцієнт тертя менше одиниці. Це означає, що сила тертя менше сили тиску.

Коефіцієнт тертя між двома будь-якими матеріалами легко визначити, якщо можливо виміряти силу тертя, яка дорівнює силі тяги, при якій тіло переміщається рівномірно, і силу тяжіння, яка на горизонтальній поверхні дорівнює силі реакції опори.

Коефіцієнт тертя ковзання не має розмірності.

ПРИКЛАД:

Якщо коефіцієнт тертя об поверхню столу

рівний  0,5, то це означає, що при вазі бруска в  20 Н  його можна зрушити з місця і рухати по столу, приклавши до нього силу в  10 Н.

Коефіцієнт тертя характеризує не тіло, на яке діє сила тертя, а відразу два тіла, що труться один об одного. Значення його залежить від того, з яких матеріалів зроблені тіла, що труться, як оброблені їх поверхні, від чистоти поверхонь і так далі.

Досліди показали, що сила тертя не залежить від площі дотичних поверхонь і від відносного положення тел. Коефіцієнт тертя, наприклад, коника об лід однаковий на всьому протязі крижаної доріжки, якщо, звичайно, поверхня льоду усюди однакова. Таким чином, сила тертя є виключенням із загального правила, по якому сила, що діє на тіло, залежить від його положення відносно того тіла, з яким воно взаємодіє. Сила тертя, виявляється, залежить не від положення тіла, а від його швидкості. Втім, абсолютне значення сили тертя двох твердих тіл від їх відносної швидкості теж мало залежить. Залежність сили тертя від швидкості полягає в тому, що при зміні напряму швидкості змінюється і напрям.

Значення коефіцієнта тертя для деяких матеріалів вказані в таблиці:

Пари матеріалів	Коефіцієнт тертя ковзання
Сталь - лід (ковзани)	0,015
Деревина - деревина	0,2–0,5
Покришка - мокрий асфальт	0,35–0,45
Покришка - сухий асфальт	0,50–0,75
Гума по бетону	0,75
Сталь по сталі	0,2

Якщо порівнювати коефіцієнти тертя покришки на сухому і мокрому асфальті, то на мокрому асфальті в однієї і тієї ж машини коефіцієнт тертя, а також сила тертя майже в  2  рази менше, ніж на сухому асфальті. В результаті також збільшується уповільнення гальмування майже в  2  рази, тому гальмівний шлях може збільшитися майже в  4  рази. Ці значення коефіцієнта тертя відносяться до незмащених поверхонь. Мастило істотно зменшує силу тертя.

ПРИКЛАД:

Сталь по сталі з мастилом ковзає так само легко, як сталь по льоду: коефіцієнт тертя складає всього  0,04.

Тертя між дотичними твердими тілами (без мастила) називають сухим тертям. У сили тертя є як позитивні, так і негативні властивості. Якби не було сили тертя, то ми не могли б відштовхнутися при ходьбі від землі, а машина не могла б << відштовхнутися >> від поверхні дороги.

Там, де тертя корисне, його збільшують, а там, де воно шкідливе, – його зменшують.

У техніці тертя між різними обертовими і ковзними поверхнями дуже небажано.

У усіх машинах частина витраченої роботи йде на подолання сили тертя, тіла, що внаслідок чого труться, нагріваються. У цих випадках тертя шкідливе, його необхідно зменшити.

Для зменшення сили тертя застосовують мастило або ж замінюють тертя ковзання тертям кочення, використовуючи кулькові або роликові підшипники. Мастило, розташовуючись тонким шаром на поверхні тіл, що труться, заповнює шорсткості, і в цьому випадку не труться одна об іншу поверхні дотичних тіл, а ковзають один відносно одного шари мастила.

При вирішенні завдань про рух тіл, на які діє сила тертя, треба завжди мати на увазі, що сила тертя ковзання, що діє на тіло, спрямована в бік, протилежний відносної швидкості руху. Тому, щоб намалювати вектор сили тертя, перш за все треба визначити напрямок руху тіла.

ЗАДАЧА

Тіло рівномірно рухається по площині. Сила тиску тіла на площину дорівнює  20 Н, сила тертя  5 Н. Знайдіть коефіцієнт тертя ковзання.

РОЗВ'ЯЗАННЯ:

Сила тиску на площину, сила тертя і коефіцієнт тертя пов'язані співвідношенням

F_тр = kР.

Отже, коефіцієнт тертя ковзання дорівнює:

ВІДПОВІДЬ:  0,25

Сила тертя кочення.

При русі автомобіля, вагону, вози їх колеса не ковзають, а котяться по різних поверхнях: шосе, рейкам, ґрунту.

Тертя у такому разі називається тертям кочення.

Тертям кочення називається опір, що виникає при коченні одного тіла по поверхні іншого.
При русі автомобіля, вагону, вози їх колеса не ковзають, а котяться по різних поверхнях: шосе, рейкам, ґрунту. Тертя у такому разі називається тертям кочення.

Тертям кочення називається опір, що виникає при коченні одного тіла по поверхні іншого.

ДОСВІД:

Покладемо брусок, про який говорилося вище, з тією ж з навантаженням на дві круглі палички.

Якщо тепер виміряти силу тертя, то вона виявиться значно менше, ніж при ковзанні.

ПРИКЛАД:

Встановимо похило книгу і покладемо на неї уздовж нахилу круглий олівець. Олівець залишиться у спокої.

Покладемо тепер олівець упоперек нахилу – він скотиться з книги.

При рівних навантаженнях сила тертя кочення завжди менше сили тертя ковзання.

Кулькові і роликові підшипники.

Для зменшення сили тертя замінюють тертя ковзання тертям кочення, використовуючи кулькові або роликові підшипники

ПРИКЛАД:

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.

Для пересування важких предметів дуже часто під них підкладаються 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.