Виды сил трения: сравнительная характеристика и примеры

Сила трения представляет собой некую физическую величину, которая препятствует любому движению тела. Она возникает, как правило, при движении тел в твердом, жидком и газообразном веществе. Различные виды сил трения играют важную роль в жизни человека, поскольку они препятствуют чрезмерному увеличению скорости движения тел.

Классификация сил трения

В общем случае все виды сил трения описываются тремя типами: сила трения скольжения, качения и покоя. Первая является статической, две другие – динамические. Трение в покое препятствует началу движения тела, в свою очередь при скольжении трение существует, когда тело при своем движении трется о поверхность другого тела. Трение при качении возникает при перемещении круглого объекта. Приведем пример. Ярким примером вида (силы трения качения) является движение колес автомобиля по асфальту.

Природа возникновения сил трения заключается в существовании микроскопических несовершенств между трущимися поверхностями двух тел. По этой причине результирующая сила, действующая на движущийся или начинающий движение объект, состоит из суммы силы нормальной реакции опоры N, которая направлена перпендикулярно к поверхности контактирующих тел, и из силы трения F. Последняя направлена параллельно поверхности соприкосновения и противоположна движению тела.

Трение между двумя твердыми телами

При рассмотрении вопроса различных видов сил трения наблюдались следующие закономерности для двух твердых тел:

1. Направлена сила трения параллельно поверхности опоры.
2. Коэффициент трения зависит от природы контактирующих поверхностей, а также от их состояния.
3. Максимальная сила трения находится в прямой пропорциональности к нормальной силе или к реакции опоры, которая действует между поверхностями контакта.
4. Для одних и тех же тел сила трения больше перед тем, как тело начинает движение, и затем уменьшается, когда тело начинает двигаться.
5. От площади контакта коэффициент трения не зависит, также он практически не зависит от скорости скольжения.

Законы

Обобщая экспериментальный материал о закономерностях движения, установили следующие основные законы, касающиеся трения:

1. Сопротивление движению скольжения между двумя телами пропорционально нормальной силе, действующей между ними.
2. Сопротивление движению между трущимися телами не зависит от площади контакта между ними.

Для демонстрации второго закона можно привести такой пример: если взять блок и перемещать его методом скольжения по поверхности, то необходимая сила для такого перемещения будет одинакова, и когда блок лежит на поверхности своей длинной стороной, и когда он стоит торцом.

Законы, касающиеся различных видов сил трения в физике, были открыты в конце XV века Леонардом да Винчи. Затем о них забыли на долгое время, и лишь в 1699 году их заново открыл французский инженер Амонтон. С тех пор законы трения носят его имя.

Почему в покое сила трения больше таковой при скольжении?

При рассмотрении нескольких видов сил трения (покоя и скольжения) следует отметить, что статическая сила трения всегда меньше или равна произведению коэффициента трения покоя на силу реакции опоры. Коэффициент трения определяется экспериментальным путем для этих трущихся материалов и заносится в соответствующие таблицы.

Динамическая сила вычисляется точно так же, как и статическая. Только в этом случае используют коэффициент трения именно для скольжения. Трения коэффициент обычно обозначается греческой буквой μ (мю). Таким образом, общая формула для обеих сил трения имеет вид: F_тр = μ * N, где N – сила реакции опоры.

Точно не установлена природа различия между этими видами сил трения. Однако большинство ученых полагают, что сила трения покоя больше таковой для скольжения, потому что когда тела находятся некоторое время в покое относительно друг друга, между их поверхностями могут образоваться ионные связи или микросплавления отдельных точек поверхностей. Эти факторы и вызывают увеличение статического показателя.

Примером нескольких видов силы трения и их проявления является поршень в цилиндре двигателя автомобиля, который "припаивается" к цилиндру, если двигатель долго не работает.

Скользящее по горизонтали тело

Получим уравнение движения для тела, которое под действием внешней силы F_в начинает перемещаться по поверхности путем скольжения. В данном случае воздействуют следующие силы на тело:

• F_в – внешняя сила;
• F_тр – трения сила, которая противоположна по направлению силе F_в;
• N – сила реакции опоры, которая равна по модулю весу тела P и направлена к поверхности, то есть под прямым углом к ней.

Учитывая направления всех сил, запишем второй закон Ньютона для этого случая движения: F_в - F_тр = m * a, где m - масса тела, a – ускорение движения. Зная, что F_тр = μ * N, N = P = m * g, где g – ускорение свободного падения, получим: F_в – μ * m * g = m * a. Откуда, выражая ускорение, с которым движется скользящее тело, получаем: a = F_в / m – μ * g.

Движение твердого тела в жидкости

При рассмотрении вопроса о том, какие виды силы трения существуют, следует упомянуть важное явление в физике, которое заключается в описании того, как в жидкости движется твердое тело. В данном случае речь идет об аэродинамическом трении, которое определяется в зависимости от скорости движения тела в жидкости. Существует два вида движения:

• Когда твердое тело движется с небольшой скоростью, говорят о ламинарном движения. Сила трения при ламинарном движении оказывается пропорциональной скорости. Примером является закон Стокса для сферических тел.
• Когда движение тела в жидкости происходит с большей скоростью, чем некоторое пороговое значение, то вокруг тела начинают появляться завихрения из потоков жидкости. Эти завихрения создают дополнительную силу, препятствующую движению, и в итоге сила трения оказывается пропорциональной квадрату скорости.

Природа силы трения качения

Когда говорят о видах сил трения, принято силу трения качения называть третьим видом. Она проявляет себя, когда тело катится по некоторой поверхности и происходит деформация этого тела и самой поверхности. То есть в случае абсолютно недеформируемых тела и поверхности, нет никакого смысла говорить о силе трения качения. Рассмотрим подробнее.

Понятие коэффициента трения качения аналогично таковому для скольжения. Поскольку при качении не существует проскальзывания между поверхностями тел, то коэффициент трения качения оказывается намного меньше, чем для скольжения.

Главным фактором, который влияет на коэффициент, является гистерезис механической энергии для вида силы трения качения. В частности, колесо в зависимости от материала, из которого оно изготовлено, а также от нагрузки, которую оно несет, в процессе движения упруго деформируется. Повторяющиеся циклы упругой деформации приводят к переходу части механической энергии в тепловую. Кроме того, из-за повреждений контакт колеса и поверхности уже обладает некоторой конечной площадью соприкосновения.

формула силы трения качения

Если применить выражение для момента силы, вращающей колесо, тогда можно получить, что сила трения качения равна F_тр.к. = μ_к * N / R, здесь N – реакция опоры, R – радиус колеса, μ_{к –} коэффициент трения качения. Таким образом, сила трения качения оказывается обратно пропорциональной радиусу, что объясняет преимущество больших колес в сравнении с маленькими.

Обратная пропорциональность этой силы радиусу колеса говорит о том, что в случае двух колес разных радиусов, которые имеют одинаковую массу и сделаны из одного и того же материала, колесо с большим радиусом легче сдвинуть с места.

Коэффициент качения

В соответствии с формулой для этого вида силы трения получаем, что коэффициент трения качения μ_к имеет размерность длины. Главным образом он зависит от природы контактирующих тел. Величина, которая определяется отношением коэффициента трения качения к радиусу, называется коэффициентом качения, то есть C_к = μ_к / R – безразмерная величина.

Коэффициент качения C_к значительно меньше коэффициента трения скольжения μ_тр. Поэтому при ответе на вопрос о том, при каком виде трения сила наименьшая, можно смело называть силу трения качения. Благодаря этому факту изобретение колеса считается важным шагом технического прогресса человечества.

Коэффициент качения является характеристикой конкретной системы и зависит от следующих факторов:

• твердость колеса и поверхности (чем меньше возникающая при движении деформация тел, тем меньше коэффициент качения);
• радиус колеса;
• вес, который действует на колесо;
• площадь поверхности контакта и ее форма;
• вязкость в области контакта колеса и поверхности;
• температура тел.