Сила трения покоя - это что такое?

Окружающий нас мир не был бы таким стабильным, если бы не существовало силы трения покоя. Дома, машины, предметы на столах и полках и даже сам человек не могли бы стоять на одном месте и постоянно бы соскальзывали. В статье раскроем вопрос, что это - сила трения покоя.

Предмет на горизонтальной поверхности

Прежде чем отвечать на вопрос, что это - сила трения покоя, изучим положение тела на горизонтальной поверхности с точки зрения динамики.

Каждый знает, что если поставить стакан с водой на стол, то он будет покоиться на своем месте, пока кто-нибудь его снова не возьмет. Какие силы действуют на стакан? Конечно же, сила тяжести или вес тела. Ее величина прямо пропорциональна массе, и вектор направлен вниз вертикально.

На первый взгляд может показаться, что больше на стакан никакая сила не оказывает действие. Однако если бы это было так, то он бы провалился сквозь стол за счет действия силы тяжести. Значит, существует некоторое противодействие этой силе, которое равно ей по модулю и противоположно по направлению. Этим противодействием является реакция опоры. Далее будем обозначать ее буквой N.

Физической причиной реакции опоры является сила упругости, действующая на тело со стороны деформированной поверхности (поверхность стола действует вертикально вверх на стакан с водой). В большинстве случаев эти деформации не видны невооруженным глазом, однако они всегда присутствуют, каким бы маленьким не был вес тела, и каким бы жестким и прочным не был материал поверхности.

Таким образом, математическая запись стакана на столе выглядит так:

N = m * g

Воздействие внешней силы

Продолжим рассматривать описанный выше пример с точки зрения физики. Предположим, что мы захотели передвинуть стакан с водой из одного угла стола на другой. Чтобы это сделать, необходимо приложить некоторую внешнюю силу. Причем, если ее прикладывать вертикально вниз или вверх, то мы не добьемся движения стакана вдоль поверхности стола. То есть сила должна быть параллельна плоскости стола.

При приложении небольшой параллельной силы можно заметить, что стакан продолжает находиться в состоянии покоя. Силы реакции опоры и веса тела направлены перпендикулярно поверхности, поэтому противодействия внешней параллельной силе они не оказывают. За это противодействие ответственна сила трения покоя. Это то взаимодействие, которое появляется только в случае наличия внешней параллельной силы. Напомним, что если стакан не трогать, то на него действуют только вес тела и реакция поверхности стола.

Таким образом, сила трения покоя - это сила, которая возникает в области контакта двух твердых поверхностей и препятствует любому относительному смещению этих поверхностей.

Почему появляется эта сила?

Мы рассмотрели, как проявляет себя трение покоя на примере стакана с водой на столе. Тем не менее остается открытым вопрос: почему существует эта сила?

В состоянии покоя сила трения главным образом обязана наличию шероховатостей на поверхностях механического контакта. Микроскопические шероховатости присутствуют всегда на любых поверхностях, даже идеально отполированных. Микроскопические впадины одной поверхности попадают на пики другой, что приводит к простому механическому зацеплению тел. Именно на преодоление этого зацепления направлена касательная к поверхности внешняя сила.

Существует еще одна причина трения покоя, которая начинает играть все большую роль, чем более гладкими являются поверхности контакта. Это электрохимическое взаимодействие атомов и молекул разных тел. Эта причина становится очевидной, если отполировать два металлических листа, затем приложить их друг к другу и попытаться сдвинуть.

Максимальное трение покоя

Когда школьникам учитель физики задает вопрос, по какой формуле рассчитывается сила трения покоя (в 7 классе трение начинают изучать), то они дружно называют следующее выражение:

F_t = µ * N

Где µ - некоторый коэффициент. Такой ответ школьников нельзя считать верным на 100 %. Дело в том, что по указанной формуле определяется максимально возможная величина рассматриваемой силы, но ведь она может быть и меньше, что чаще всего случается на практике.

Следует запомнить, что сила трения покоя - это переменная характеристика. Всегда, когда тело покоится, ее величина равна по модулю внешней касательной к поверхности силе. Когда же тело начинает движение, то говорить о трении покоя уже нельзя (появляется иной вид трения - скольжение). Приведенное выражение для F_t позволяет вычислить трение покоя в момент начала движения тела.

Коэффициент трения µ

В формуле для максимальной силы F_t был введен коэффициент силы трения покоя - величина µ. Он является безразмерным, поскольку реакция опоры N измеряется в ньютонах.

Этот коэффициент теоретически определить нельзя, поскольку он зависит от большого количества факторов: материалов поверхностей, качества их обработки (шероховатость), от чистоты поверхностей, их температуры, микроскопической структуры и некоторых других. В связи с этим величину µ измеряют экспериментально. Например, если к стакану в примере выше прикрепить динамометр и измерить максимальную силу F_t, то, зная массу стакана с водой, можно определить µ.

Значения коэффициента µ занесены в специальные таблицы для каждой пары поверхностей контакта. Так, в нашем примере стекло движется по дереву. Соответствующий µ равен 0,25.

Далее приведем пример решения двух задач, в которых будет понятно, что это - сила трения покоя, и как она действует на практике.

Задача на определение изменения силы трения

Известно, что стакан с водой общей массой 400 грамм стоит на горизонтальном столе. Стол наклоняют на 5^o к горизонту. Как изменяется трения покоя сила при этом? Начнет ли скользить стакан по столу?

Поскольку изначально стакан стоит на горизонтальном столе, то трение покоя равно нулю. Когда стол наклоняют, то возникает параллельная его поверхности составляющая вектора силы тяжести. Она равна:

F = m * g * sin(α)

Поскольку сила трения покоя равна величине F, то получаем, что ее изменение в результате наклона составит 0,34 Н.

Теперь ответим на второй вопрос задачи. При наклоне на 5^o максимальная трения покоя сила равна:

F_t = µ * m * g * cos(α)

Получаем значение F_t = 0,98 Н. Поскольку эта величина больше, чем рассчитанная сила трения покоя, то стакан по столу двигаться не будет при угле наклона 5^o.

Задача на определение работы трения покоя

В физике работой называется скалярное произведение вектора перемещения и вектора силы. Когда тело покоится, то модуль его перемещения равен нулю. Последнее означает, что работу рассматриваемая сила совершать не может (она действует только в покое).

Теперь представим следующую ситуацию: два бруска лежат друг на друге. На нижний из них действует сила F, которая приводит его в равноускоренное движение с ускорением a. Верхний брусок относительно нижнего покоится. Поскольку верхний брусок тоже движется с ускорением a, и на него действует только сила трения покоя, и получается, что она совершает положительную работу. Чему равна эта работа? За время движения t сила трения покоя совершает работу:

A = F_t * l = F * a * t² / 2

Заметим, что если величина F окажется больше, чем максимальное значение F_t, то верхний брусок соскользнет с поверхности нижнего.