Сила трения

В задачах классической механики рассматриваются три основных вида сил, один из которых – силы трения. Они могут нести вред человеку, но и польза от них есть. Чтобы использовать их с толком, либо уменьшать ущерб, наносимый ими, необходимо понимать их природу и уметь находить.

Возникновение трения

Силы трения, причина которых кроется в том, что любая поверхность на микроуровне неровна, действуют на движущиеся и покоящиеся тела. Они могу возникать между твердыми телами, между твердыми и газообразными или жидкими.

Направление сил трения противоположно движению тела (силам, которые движут тело) и лежит в плоскости соприкосновения с поверхностью.

По тому, какая поверхность (со смазкой или без), силы трения делят на сухие и не сухие виды. К первым относят трение покоя (сцепления), скольжения и качения. К не сухим – жидкостное (вязкое).

С помощью подручных средств легко провести опыт. Возьмем любой предмет (например, книгу), положим его на стол и потянем. Если тянуть слабо, книга не сдвинется, ибо на нее действует сила трения покоя. Когда прикладываемся сила станет больше, сцепление также увеличится. Но у него есть максимальное (предельное) значение, и если тянущая сила превысит это значение, тело начнет движение, а покой сменится скольжением.

Измерение силы трения при помощи динамометра

Рис. 1. Измерение силы трения при помощи динамометра.

Если выстраивать строгую теорию трения скольжения, то придется учитывать ее зависимость от скорости. Но большая часть относительно простых задач решаются в приближении, когда силу трения скольжения считают равной максимальной силе сцепления.

На практике трение часто наносит ущерб. Например, оно вызывают истирание деталей. Эту проблему решают либо добавлением смазки, либо подшипниками. Во втором случае скольжение заменяется качением.

Возникновение силы трения качения

Рис. 2. Возникновение силы трения качения.

При движении в газообразной или жидкой среде возникает вязкое (жидкостное) трение, которое также называются сопротивлением среды. Оно слабее сухого трения, а главная его особенность в том, что оно зависит от скорости. В случае равенства последней нулю, сопротивление также обратится в нуль.

Расчетные формулы

Из экспериментов известно, что сила сцепления $\vec F_{тр} = – \vec F$, где F – внешняя сила. Максимальное сцепление пропорционально силе нормальной реакции опоры, умноженной на безразмерный коэффициент $\mu$, который определяется характером поверхности трения.

$$F_{тр}= \mu N$$ – (1) формула силы трения покоя

В случае, если тело находится на наклонной поверхности, проекция силы нормальной реакции опоры на ось Оу равна: $N = mgsin \varphi$. И тогда модуль сцепления равен: $F_{тр}= \mu mgsin \varphi$ – (2).

Из вышеприведенной формулы следует, что минимальной сила трения становится, когда угол максимально близок к прямому.

Сила сцепления на наклонной поверхности

Рис. 3. Сила сцепления на наклонной поверхности.

Силу трения скольжения считают приблизительно равной предельному сцеплению, то есть находится она по формулам (1) и (2). Силой трения качения же на практике часто пренебрегают. При необходимости учета ее влияния пользуются следующей формулой:

$F_{тр} = {\mu \over R}N$,
где R – радиус катящегося (качающегося) тела, а $\mu$ – коэффициент, имеющий размерность радиуса.

Для силы вязкого трения, когда скорости невелики, формула для нахождения записывается так:

$F_{тр1} = k_1v$,
где $k_1$ – коэффициент жидкостного трения.

Когда скорости достаточно велики, зависимость меняется на квадратичную, и ее определение производится по формуле:

$$F_{тр2}=k_2v^2$$,
где $k_2$ – коэффициент жидкостного трения при больших скоростях.

Задачи

  • Кирпич скатывается по деревянной поверхности, которая наклонена к горизонтали под углом 45 градусов. Масса кирпича – 200 грамм, коэффициент трения – 0,5. С каким ускорением он движется?

Решение первой задачи

Схема решения этой задачи та же, по которой решаются большинство задач на основное уравнение динамики.

Ось Оy проведем через вектор силы нормальной реакции опоры, Ось Ох – через вектор ускорения кирпича. Запишем второй закон Ньютона в векторной форме:

$$m \vec a = \vec F_{тр} + m \vec g + \vec N$$

И в проекциях на оси:

Ox: $ma = mgcos \varphi – \mu N$

Oy: $N=mgsin \varphi$

Учитывая уравнение на оси Оу запишем:

$$ma = mgcos \varphi – \mu mgcos \varphi = mg(cos \varphi – \mu sin \varphi)$$

$$a = g(cos \varphi – \mu sin \varphi) = 3,5 м/c$$

  • Человек массой 100 кг совершил прыжок с парашютом. Какова установившаяся скорость его падения без парашюта и с раскрытым парашютом? Коэффициент сопротивления для раскрытого парашюта считать равным $k_2$ = 520 г/cм, без парашюта – 5 г/см

Решение второй задачи

Условие, при котором человек будет падать с одной и той же скорость, найдется из условия равенства силы сопротивления и силы тяжести:

$$mg = k_2v^2$$

Тогда:

$$v_1 = \sqrt{mg \over k_1} = 14,14 м/с$$

$$v_2 = \sqrt{mg \over k_2} = 1,38 м/c$$

Что мы узнали?

В ходе урока выяснили, как возникают силы трения, установили закон действия этих сил. После чего разделили силы трения на два вида – силы сухого трения и силы жидкостного трения, а также рассмотрели формулы, по которым производится их расчет. В закрепление урока разобрали две несложные задачи.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.7. Всего получено оценок: 232.

Предметы