Любой контакт между двумя телами приводит к появлению силы трения. При этом не важно, в каком агрегатном состоянии вещества находятся тела, движутся они относительно друг друга или покоятся. В данной статье кратко рассмотрим, какие виды трения существуют в природе и технике.
Трение покоя
Для многих может быть странной мысль, что трение тел существует даже тогда, когда они находятся в состоянии покоя относительно друг друга. Кроме того, эта сила трения является самой большой по величине силой среди остальных видов. Проявляется она тогда, когда мы пытаемся сдвинуть с места какой-либо предмет. Это может быть деревянный брусок, камень и даже колесо.
Причиной существования силы трения покоя является наличие неровностей на соприкасающихся поверхностях, которые механически взаимодействуют друг с другом по принципу пик-впадина.
Вычисляется сила трения покоя по следующей формуле:
Ft1 = µt*N
Здесь N - реакция опоры, с которой на тело воздействует поверхность вдоль нормали. Параметр µt является коэффициентом трения. Он зависит от материала соприкасающихся поверхностей, качества обработки этих поверхностей, их температуры и от некоторых других факторов.
Записанная формула свидетельствует, что от площади контакта сила трения покоя не зависит. Выражение для Ft1 позволяет рассчитать так называемую максимальную силу. В ряде же практических случаев Ft1 не является максимальной. Она всегда равна по величине внешней силе, которая стремится вывести из состояния покоя тело.
Трение покоя играет важную роль в жизни. Благодаря этому мы можем двигаться по земле, отталкиваясь от нее подошвами ног, не проскальзывая. Любые тела, которые находятся на наклонных к горизонту плоскостях, не соскальзывают с них благодаря силе Ft1.
Трение в процессе скольжения
Еще один важный вид трения для человека проявляет себя, когда одно тело скользит по поверхности другого. Возникает это трение по той же физической причине, что и трение покоя. Более того, его сила вычисляется по аналогичной формуле.
Ft2 = µk*N
Единственная разница с предыдущей формулой заключается в использовании для трения скольжения других коэффициентов µk. Коэффициенты µk всегда меньше аналогичных параметров для трения покоя для одной и той же пары трущихся поверхностей. На практике этот факт проявляется следующим образом: постепенное увеличение внешней силы приводит к возрастанию величины Ft1 до тех пор, пока она не достигает своего максимального значения. После этого она резко падает на несколько десятков процентов до значения Ft2 и поддерживается постоянной в процессе движения тела.
Коэффициент µk зависит от тех же факторов, что параметр µt для трения покоя. Сила трения скольжения Ft2 от скорости перемещения тел практически не зависит. Лишь на больших скоростях становится заметно ее уменьшение.
Важность трения скольжения для жизни человека можно проследить на таких примерах, как езда на лыжах или катание на коньках. В этих случаях уменьшают коэффициент µk с помощью модификации трущихся поверхностей. Наоборот, посыпание дорог солью и песком преследует цель увеличить значения коэффициентов µk и µt.
Трение качения
Это один из важных видов трения для функционирования современной техники. Оно присутствует при вращении подшипников и движении колес транспортных средств. В отличие от трения скольжения и покоя, трение качения обусловлено деформацией колеса в процессе движения. Эта деформация, которая происходит в упругой области, в результате гистерезиса рассеивает энергию, проявляясь в виде силы трения во время движения.
Расчет максимальной силы трения качения осуществляется по формуле:
Ft3 = d/R*N
То есть сила Ft3, как силы Ft1 и Ft2, прямо пропорциональна реакции опоры. Однако она также зависит от твердости соприкасающихся материалов и радиуса колеса R. Величина d называется коэффициентом сопротивления качению. В отличие от коэффициентов µk и µt, величина d имеет размерность длины.
Как правило, безразмерное отношение d/R оказывается на 1-2 порядка меньше, чем значение µk. Это означает, что перемещение тел с помощью качения энергетически намного более выгодно, чем с помощью скольжения. Именно поэтому во всех трущихся поверхностях механизмов и машин стараются использовать трение качения.
Угол трения
Все три вида проявления трения, описанные выше, характеризуются некоторой силой трения Ft, которая прямо пропорциональна величине N. Обе силы друг относительно друга направлены под прямым углом. Угол, который образует их векторная сумма с нормалью к поверхности, называется углом трения. Чтобы понять его важность, воспользуемся данным определением и запишем его в математическом виде, получим:
Ft = k*N;
tg(θ) = Ft/N = k
Таким образом, тангенс угла трения θ равен коэффициенту трения k для данного вида силы. Это означает, что чем больше угол θ, тем больше сама сила трения.
Трение в жидкостях и газах
Когда твердое тело движется в газообразной или жидкой среде, то оно постоянно сталкивается с частицами этой среды. Эти столкновения, сопровождаемые потерей скорости твердого тела, являются причиной трения в текучих субстанциях.
Этот вид трения сильно зависит от скорости. Так, при относительно небольших скоростях, сила трения оказывается прямо пропорциональной скорости движения v, при больших же скоростях речь идет о пропорциональности v2.
Примеров проявления этого трения можно привести массу, начиная от движения лодок и кораблей и заканчивая полетом самолетов.
