Сила трения играет важнейшую роль во многих природных процессах. Без нее были бы невозможны такие обыденные вещи, как движение воздуха, образование волн на воде, смена времен года. Давайте разберемся, как именно трение влияет на окружающий нас мир.
Понятие силы трения
Сила трения - это сила, возникающая при контакте двух поверхностей и препятствующая их взаимному перемещению. Различают несколько основных видов трения:
- Трение покоя - возникает между неподвижными поверхностями
- Трение скольжения - при релативном движении поверхностей
- Трение качения - когда одна поверхность катится по другой
- Сухое трение - без смазочного материала
- Вязкое или жидкое трение - в присутствии жидкой смазки
Величина силы трения определяется по формуле:
Fтр = μN
где:
- Fтр - сила трения
- μ - коэффициент трения
- N - сила нормального давления между поверхностями
Коэффициент трения μ для различных материалов лежит в диапазоне от 0,001 (тефлон по тефлону) до более 1 (резина по бетону).
Роль трения в неживой природе
Трение играет важную роль в таких неживых природных процессах, как:
- Движение воздушных масс
- Образование ветровых волн на море
- Суточное вращение планет
- Дрейф материков
- Формирование ледников
Влияние на рельеф суши
Под действием ветра происходит ветровая эрозия суши - разрушение и перенос вещества с поверхности. Этот процесс обусловлен трением движущихся воздушных масс об элементы рельефа. В результате ветровой эрозии формируются такие объекты, как барханы, дюны, овраги.
Аналогичным образом водная эрозия, вызванная течением рек, ручьев и дождями, преобразует поверхность суши. Так, бурные потоки в горах создают ущелья и обрывы.
Образование волн
Ветровые волны на море также являются следствием трения. Касательные напряжения, возникающие при движении воздуха над водой, прогибают поверхность воды. Возникшие возмущения распространяются, формируя волны.
Без трения воздушные массы скользили бы над водой, не оказывая на нее механического воздействия.
Суточное вращение планеты
Скорость суточного вращения Земли определяется балансом между кинетическим моментом и трением внутри планеты. По мере остывания ядра скорость вращения постепенно снижается.
У планет с жидким ядром (Юпитер, Сатурн) трение выше и они вращаются быстрее.
Таким образом, можно сказать, что скорость суточного вращения планет напрямую зависит от величины трения в их недрах.
Дрейф материков
Движение литосферных плит относительно друг друга происходит благодаря конвекционным течениям в мантии Земли. Плиты как бы плавают по расплавленным породам астеносферы.
Однако на границах плит возникает сила трения, которая препятствует их свободному движению. Это трение и является причиной мощных землетрясений в зонах разломов.
Формирование ледников
Ледники образуются там, где выпадает больше снега, чем успевает растаять за теплое время года. Постепенно снег превращается в лед под действием давления вышележащих слоев.
Однако движение льда происходит лишь тогда, когда угол наклона ледника достаточно велик, чтобы преодолеть силу трения о подстилающую поверхность.
Роль трения для живых организмов
Трение играет важную роль в жизни растений и животных. Например, шероховатая поверхность лап насекомых и пресмыкающихся увеличивает силу трения, позволяя им лазить по стенам и потолку. У рыб обтекаемая форма тела с гладкой слизистой поверхностью снижает трение о воду, обеспечивая высокую скорость движения.
Захват и удержание объектов
Многие животные используют силу трения для захвата и удержания добычи или иных объектов. Это могут быть лапы, когти хищников, присоски осьминогов, паутина пауков.
Без достаточного трения невозможно было бы надежно зафиксировать объекты.
Пищеварение
У млекопитающих и птиц пища перед попаданием в желудок тщательно пережевывается и перетирается зубами. Это необходимо для увеличения поверхности частиц пищи и облегчения доступа пищеварительных ферментов.
Аналогично у земноводных вполне эффективен механизм захвата добычи липким языком. При отсутствии достаточного трения на поверхности языка это было бы невозможно.
Дыхание
У млекопитающих трение вдыхаемого воздуха о стенки легких играет важную роль для нормального газообмена. Увеличение силы трения, например, при воспалении легких, резко нарушает этот процесс.
Аналогично у рыб жабры обеспечивают эффективный обмен газов благодаря большой поверхности контакта воды с кровеносными сосудами.
Роль трения в антропогенном воздействии на природу
Деятельность человека также сопряжена с проявлениями силы трения в природе.
- Обработка почвы. При вспашке и других агротехнических работах происходит интенсивное механическое воздействие на почву. Это связано с трением рабочих органов техники о поверхность поля. В результате может развиваться ветровая и водная эрозия, которая ведет к потере плодородия.
- Вырубка лесов. Лесозаготовительная техника также оказывает механическое воздействие на почву. При движении тяжелой техники существенно возрастает сила трения о поверхность. Это приводит к эрозии и деградации почвы, особенно на склонах.
Распашка целинных земель
Освоение целинных территорий в 1950-60х годах путем распашки прерий привело к опустыниванию огромных площадей.
Причина в том, что после удаления естественной растительности резко возросла сила трения ветра о поверхность почвы. Это вызвало ветровую эрозию и пыльные бури.
Таяние ледников
В условиях глобального потепления климата происходит активное таяние ледников. Помимо прямого воздействия тепла, на это влияет и трение более теплого воздуха о лед.
Этот фактор также вносит вклад в темпы сокращения ледникового покрова планеты.
Загрязнение атмосферы
Огромное количество автомобилей и другой техники являются источником загрязнения атмосферы. Выхлопные газы и продукты износа шин, тормозов попадают в воздух.
Этот износ обусловлен трением движущихся частей и является неизбежным следствием работы транспорта.
Способы регулирования трения в техносфере
Чтобы снизить негативное влияние трения, связанного с деятельностью человека, применяются различные методы.
- Применение смазочных материалов. Использование масел, консистентных смазок и других жидких или пластичных веществ позволяет значительно уменьшить силу трения в механизмах. Это обеспечивает экономию энергии и снижает износ деталей.
- Подшипники качения. Вращающиеся части машин размещаются на подшипниках качения - шариковых или роликовых. При этом сила трения снижается в несколько раз по сравнению с обычным трением скольжения. Это продлевает ресурс оборудования и сокращает потребление энергии.
Шлифовка поверхностей
Обработка трущихся поверхностей методом шлифовки или полировки делает их более гладкими. Это уменьшает силу трения и замедляет износ деталей.
Такая обработка применяется как на производстве, так и при эксплуатации (например, заточка ножей).
Оптимальная шероховатость
Существует оптимальная шероховатость поверхности, при которой достигается наименьшая сила трения. Слишком гладкие или, наоборот, очень шероховатые покрытия увеличивают трение.
Подбор необходимой шероховатости позволяет настроить оптимальный режим трения в узлах машин и механизмов.
Воздушная смазка
Иногда используют так называемую воздушную смазку - подачу сжатого воздуха в зону трения. Возникающая воздушная подушка разделяет поверхности и резко снижает трение.
Такой метод эффективен, например, на высокоскоростных опорах вращения.
Влияние трения на климатические процессы
Трение играет немаловажную роль в формировании климата нашей планеты.
- Циркуляция атмосферы. Перенос воздушных масс в атмосфере происходит благодаря разности давления между разными широтами и высотами. Однако без трения ветра о поверхность суши и океана основная циркуляция воздуха была бы невозможна.
- Муссоны. Смена муссонов от зимы к лету и обратно обусловлена сезонным изменением температур суши и океана. Нагрев и охлаждение приземного воздуха влияет на его плотность и вызывает движение воздушных масс. Опять же, без достаточной силы трения ветра о подстилающую поверхность такие масштабные перемещения воздуха не могли бы происходить.
- Парниковый эффект. Усиление парникового эффекта в последние десятилетия также частично связано с ослаблением сил трения в атмосфере.
Дело в том, что повышенное содержание парниковых газов снижает турбулентность воздушных потоков, что ослабляет перемешивание воздушных масс по вертикали.
Оледенения в прошлом
Известно несколько покровных оледенений в истории Земли, когда льды наступали далеко за полярные области. Причины этих глобальных похолоданий до конца не ясны.
Одна из гипотез состоит в резком уменьшении скорости вращения Земли, что ослабляло трение и циркуляцию атмосферы. В результате происходило смещение климатических поясов и наступание льдов.
Заключение
В статье рассматривается роль силы трения в природе и ее влияние на различные природные процессы. Анализируются такие аспекты, как формирование рельефа под действием эрозии, движение воздушных и водных масс, суточное вращение планет. Отдельно уделено внимание значению трения для растений и животных. Также затрагивается тема антропогенного воздействия на окружающую среду, связанного с трением. В заключении приводятся способы регулирования силы трения с целью снижения негативных эффектов.
