Кравцов Артемий: Сила трения

Сила трения

Из опыта известно, что любое тело, движущееся по горизонтальной поверхности другого тела, при отсутствии действия на него других сил с течением времени замедляет свое движение и в конце концов останавливается. Это можно объяснить существованием силы трения, мешающей скольжению соприкасающихся тел друг относительно друга. Силы трения зависят от относительных скоростей соприкасающих тел тел. Силы трения могут иметь разную природу, но в результате их действия механическая энергия соприкасающихся тел всегда превращается во внутреннюю энергию этих тел.

Различают внешнее (сухое) и внутреннее (вязкое или жидкое) трение. Внешним трением называется трение, возникающее в плоскости касания двух соприкасающихся тел при их относительном перемещении. Если соприкасающиеся тела неподвижны друг относительно друга, говорят о трении покоя, если существует относительное перемещение этих тел, то в зависимости от характера их относительного движения говорят о трении скольжения, качения или верчения.

Внутренним трением называется трение между внутренними частями одного и того же тела, например между соседними слоями жидкости или газа. В отличие от внешнего трения здесь отсутствует трение покоя. При скольжении тел относительно друг друга в прослойке вязкой жидкости (смазки) трение происходит в слое смазки. В этом случае говорят о гидродинамическом трении (слой смазки достаточно толстый) и граничном трении (толщина смазочной прослойки 0,1 мкм и меньше).

Рассмотрим некоторые закономерности внешнего трения. Это трение обусловлено шероховатостью соприкасающихся поверхностей; в случае же очень гладких поверхностей трение обусловлено силами межмолекулярного притяжения.

Рассмотрим лежащее на горизонтальной плоскости тело, к которому приложена горизонтальная сила F. Тело начнет двигаться лишь тогда, когда приложенная сила F будет больше силы трения Fтр. Опытным путем установлен следующий закон: сила трения скольжения Fтр прямо пропорциональна силе N нормального давления, с которой одно тело действует на другое:

F_TP=fN

где f - коэффициент трения скольжения, который зависит от свойств соприкасающихся поверхностей.

Найдем значение коэффициента трения. Если тело расположено на наклонной плоскости с углом наклона α, то оно приходит в движение, только когда тангенциальная составляющая F силы тяжести Р больше силы трения Fтр. Следовательно, в предельном случае (т.е. при начале скольжения тела) F=Fтр. или Psinα = fN = fPcosα, откуда

f=tgα₀

Значит, коэффициент трения равен тангенсу угла, при котором тело начинает скользить по наклонной плоскости.

Для гладких поверхностей определенную роль начинает играть межмолекулярное притяжение. Для них применяется закон трения скольжения

F_TP=f_IST(N+Sp₀)

где р0 - добавочное давление, вызванное силами межмолекулярного взаимодействия, быстро уменьшающиеся с увеличением расстояния между частицами; S - площадь контакта между телами; fист - истинный коэффициент трения скольжения.

Трение играет огромную роль в нашей жизни. Благодаря трению движется транспорт, удерживается забитый в стену гвоздь и т. д.

Во многих случаях силы трения оказывают вредное действие и их действие надо уменьшать. Для этого на трущиеся поверхности наносят смазку, уменьшающая силу трения примерно в 10 раз, которая заполняет неровности между данными поверхностями таким образом, что смазка ствновится тонким слоем между ними, причем сами поверхности как бы перестают касаться друг друга, а скользят друг относительно друга отдельные слои жидкости. Значит, внешнее трение твердых тел заменяется значительно меньшим внутренним трением жидкости.

Радикальным способом уменьшения силы трения является замена трения скольжения трением качения (шариковые и роликовые подшипники и т. д.). Сила трения качения определяется по закону, впервые установленным Кулоном:

F₀=f_kN/r

где r - радиус катящегося тела; fк - коэффициент трения качения.