Сила трения, скольжения, формула - как рассчитывать законы движения

Трение играет огромную роль в нашей повседневной жизни. Благодаря трению мы можем ходить и бегать, ездить на велосипеде и автомобиле. В то же время, избыточное трение в механизмах приводит к быстрому износу деталей.

В этой статье мы разберем, что такое сила трения, какие существуют ее виды и от чего она зависит. Рассмотрим основные формулы для расчета величины трения. А также узнаем, как можно уменьшить трение в механизмах.

Что такое сила трения

Сила трения - это сила, которая возникает между соприкасающимися поверхностями двух тел при их относительном движении или скольжении. Она направлена в сторону, противоположную направлению относительного движения тел. Формула силы трения скольжения появляется вследствие взаимодействия неровностей поверхностей и сил межмолекулярного притяжения. Величина силы трения скольжения пропорциональна силе нормального давления между телами.

• Сила трения зависит от природы соприкасающихся тел и шероховатости поверхности.
• При увеличении площади соприкосновения сила трения возрастает.

Различают силу трения покоя, возникающую между неподвижными телами при попытке их сдвинуть, и силу трения скольжения при движении. Модуль силы трения покоя формула имеет вид F тр.пок = μN, где μ - коэффициент трения покоя, N - сила нормального давления. При скольжении «сила трения скольжения формула» та же: F тр.ск = μN, но μ меньше.

Таким образом, сила трения скольжения - это сила сопротивления относительному перемещению соприкасающихся тел, направленная по касательной к их поверхности соприкосновения.

Виды трения

Различают несколько основных видов трения. Прежде всего, выделяют внешнее и внутреннее трение. Сила трения скольжения относится к внешнему трению.

• Внешнее трение возникает между поверхностями разных тел. Оно подразделяется на сухое, жидкостное и трение качения.
• Внутреннее трение проявляется при движении слоев одного и того же тела относительно друг друга.

Также выделяют трение покоя и трение скольжения. При трении покоя сила трения препятствует началу движения. Она равна силе, стремящейся вызвать сдвиг одного тела относительно другого. Сила трения покоя формула: F тр.пок = μN, где μ - коэффициент трения покоя, N - сила нормального давления. Эта сила всегда больше, чем сила трения скольжения.

Трение скольжения возникает при уже существующем относительном движении поверхностей. Оно меньше трения покоя и подчиняется той же формуле, но с меньшим коэффициентом μ. С увеличением относительной скорости сила трения скольжения обычно растет, а затем выходит на постоянное значение.

При сухом трении непосредственно контактируют шероховатые поверхности твердых тел. Жидкостное трение возникает в присутствии тонкой пленки смазочного материала между трущимися поверхностями. Смазка значительно уменьшает силу трения. Еще одним распространенным видом внешнего трения является трение качения, возникающее, например, в подшипниках. Здесь сила трения обусловлена деформацией малых участков поверхностей и значительно меньше, чем при скольжении.

Зависимость силы трения от различных факторов

На величину силы трения влияет множество факторов. Рассмотрим основные из них.

• Природа соприкасающихся материалов. Чем сильнее межмолекулярное взаимодействие, тем выше сила трения при прочих равных условиях.
• Шероховатость поверхностей. Чем она выше, тем сильнее трение из-за большего сцепления неровностей и их деформации.
• Сила нормального давления между телами. При ее увеличении растет сила трения, так как увеличивается площадь фактического контакта микронеровностей.

В формуле силы трения скольжения F тр = μN сила трения F тр прямо пропорциональна нормальной силе N, прижимающей тела друг к другу. Чем сильнее прижатие, тем выше трение. С повышением температуры в месте контакта сила трения, как правило, несколько уменьшается. Это связано с разупрочнением микроконтактов и уменьшением сил межмолекулярного взаимодействия.

Кроме того, на величину трения может влиять относительная скорость перемещения поверхностей. Силы вязкого трения в газах и жидкостях увеличиваются пропорционально скорости.

Основные формулы для расчета силы трения

Для расчета силы трения используются следующие основные формулы:

• Сила трения покоя: F тр.пок = μN, где μ - коэффициент трения покоя, N - сила нормального давления.
• Сила трения скольжения формула та же: F тр.ск = μN, но коэффициент μ меньше, чем для трения покоя.
• Сила вязкого трения в жидкости и газе: F тр.вязк = ηSv, где η - динамическая вязкость среды, S - характерный размер тела, v - скорость тела относительно среды.

Для приближенных расчетов используют табличные значения коэффициентов трения μ для различных материалов. Для более точных расчетов применяют экспериментальное определение коэффициента трения для данной пары материалов в конкретных условиях.

Способы уменьшения трения

Существует несколько основных способов уменьшения силы трения.

• Применение смазочных материалов. Смазки образуют разделительную прослойку и препятствуют непосредственному контакту шероховатостей, вследствие чего сила трения резко падает. Это позволяет снизить износ деталей машин.
• Выбор материалов с меньшим коэффициентом трения. Подбирают комбинации материалов с наименьшим межмолекулярным взаимодействием.
• Уменьшение шероховатости поверхностей путем полировки. Чем глаже поверхности, тем ниже трение между ними.
• Применение подшипников качения вместо скольжения. В подшипниках качения сила трения намного меньше благодаря катящемуся, а не скользящему контакту.

Так как в формуле силы трения скольжения F тр = μN она прямо пропорциональна нормальной силе N, то уменьшить трение можно также путем снижения силы прижатия трущихся поверхностей друг к другу. Для снижения сил трения в механизмах используют правильный выбор формы сопряженных деталей, рациональные схемы смазки, автоматическое регулирование зазоров и другие конструктивные методы.

Коэффициент трения для различных материалов

Коэффициент трения является важной характеристикой при расчетах с использованием формулы силы трения скольжения. Его значения зависят от природы контактирующих материалов. Примерные значения коэффициентов трения скольжения для некоторых материалов без смазки:

С введением смазочного материала между этими поверхностями значения μ резко понижаются. Например, при наличии масляной пленки для стали по стали он может быть около 0,03. Для более точных инженерных расчетов используют экспериментальное определение коэффициента трения в каждом конкретном случае.

Применение явления трения в технике

Явление трения широко используется в различных областях техники и быту.

• Трение обеспечивает сцепление колес автомобилей и поездов с дорогой, без которого невозможно было бы перемещение.
• За счет трения передается вращение между механическими передачами: ремнями, цепями, шестернями и т. д.
• Сила трения используется в тормозных системах - как дисковых, так и колодочных.

Однако чрезмерно высокое трение приводит к быстрому износу деталей и потере энергии на нагрев поверхностей. Поэтому во многих узлах машин и механизмов стремятся его уменьшить с помощью смазочных материалов. Зная формулу силы трения скольжения и коэффициенты трения, инженеры могут оптимально подобрать материалы и режим работы трущихся поверхностей в узлах машин и агрегатов.

Интересные факты о трении

Сила трения — одно из самых удивительных и недооцененных явлений природы. Давайте рассмотрим несколько любопытных фактов о трении.

• Сила трения покоя и трения скольжения практически равны. Это подтверждено точными измерениями.
• Сила трения не зависит от площади соприкосновения поверхностей. Это обусловлено крайне малой реальной площадью контакта.
• Коэффициент трения стального колеса по стальным рельсам в 10 раз ниже, чем по шоссе. Это объясняется идеальной гладкостью рельсов.
• Сила трения может быть использована для полезной работы, например в тормозах или муфтах сцепления.

Необычные вещи происходят с силой трения при очень низких и очень высоких температурах. Трение остается одной из самых загадочных и увлекательных тем в физике.