Сила трения. Скольжение

Сила трения

Сила трения и скольжение. Любое механическое движение всегда сопровождается потерями механической энергии. Это предопределено наличием сил трения. Их действие приводит к переходу механического движения материи в другие формы ее движения. При этом тела нагреваются, электризуются, испытывают разрушение.

Следовательно, силы трения - это силы, которые возникают в процессе движения одних тел или их частей по поверхности других. Они направлены по касательной к трущимся поверхностям тел (или рдел) и препятствуют относительному перемещению их.

1. Трение, которое возникает при относительном перемещении тел, которые прикасаются, будем называть внешним, или сухим.

- спокойствию (статичное) - возникает между взаимно неподвижными телами;

- движению (кинематическое) - возникает при относительном перемещении тел, которые прикасаются.

2. Трение, которое возникает при относительном руссе частей одного и того же тела, будем называть внутренним, или вязким, еще его называют жидким (например, при руссе тела относительно жидкой или газообразной среды, слои которого непосредственно прикасаются тела и втягиваются в движение с той же скоростью, которую имеет тело; кроме того, на движение тела в этом случае виплаває трение между этими и внешними по отношению к этим слоями среды).

В зависимости от характера относительного перемещения тел, между которыми возникает трение, различают такие виды внешнего трения :

- скольжение;

- качение;

- вращение.

Трение спокойствия. Трение спокойствия проявляется во всех случаях, когда пытаются вызывать движение тел, которые прикасаются. Рассмотрим на горизонтальной поверхность тело А, к которому прикреплена нить, которая переброшена через неподвижный блок. Из увеличением нагрузки чашки сила достигнет некоторого значения, при котором тело начнет двигаться. Для всех других нагрузок, когда, тело остается в спокойствии. На тело, пока оно находится в спокойствии при, действует сила, какая противоположная за направлением к силе .

Тело будет двигаться ускоренно тогда, когда сила будет преобладать некоторое конкретное значение Следовательно, сила трения спокойствия может приобретать любые значения от нуля к максимальному значению.

В общем случае коэффициент трения спокойствия может изменяться с изменением силы давления между телами, с изменением температуры и тому подобное. Это значит, что закон Амонтона имеет приближенный характер.

Трение скольжения. Вспомним, что при тело будет двигаться ускоренно. Сила трения спокойствия при этом переходит в силу трение скольжения. Законы трения скольжения были сформулированы Амонтоном и независимо от него Шарлем Кулоном.

В некоторых случаях сила трения скольжения для сравнительно небольшого интервала скоростей равняется предельной силе трения спокойствия и не зависит от скорости движения. При относительной скорости движения одного тела по поверхности другого, когда, сила трения неоднозначна и может приобретать значений. При этом для кулоновских сил трения коэффициент трения определяет величину не только предельной силы трения спокойствия, но и величину силы трения скольжения.

В общем случае сила трения скольжения зависит от относительной скорости движения тел. При этом с увеличением относительной скорости движения тел сила трения скольжения сначала уменьшается и при дальнейшем увеличении скорости растет и приближается к силе трения спокойствия.

Сила трения скольжения в общем случае зависит от физической природы трительных поверхностей и от их состояния. В возникновении сил трения существенное значение играют силы межмолекулярного взаимодействия в местах прикосновения тел и механические силы, которые возникают в зацеплениях отдельных выступлений поверхностей.

При относительном руссе одних тел по поверхности других прикосновения их происходит только на отдельных выступлениях, общая площадь которых значительно меньшая от видимой площади прикосновения. Для уменьшения силы трения скольжения поверхности тел пытаются сделать гладкими. Однако, при очень гладких поверхностях тел силы трения скольжения не уменьшаются, а наоборот, растут. Это предопределено тем, что при плотном прикосновении поверхностей тел возникают межатомные взаимодействия.

Трение качения. Чтобы уменьшить сухое трение скольжения, его замещают качением с помощью подшипников. Качение одного тела по поверхности второго являет собой вращение его вокруг мгновенной оси, которая проходит через точку касания и лежит в касательной до обоих тел плоскости. Качение отличается от вращения тем, что точки контакта при вращении со временем не изменяются. Во время вращения ось вращения одного тела относительно второго перпендикулярна к касательной плоскости.

Примером трения вращения является трение стрелки компаса, которая вращается вокруг острия как опоры, трение оси волчка на опоре, трение оси шестерен в часах и осе в измерительных приборах на подушках как опорах и другие.

Вязкое трение и сопротивление среды. Наиболее распространенный способ уменьшения трения заключается в замене сухого трения внутренним трением с помощью масел. При этом масла заполняют впадины и трещины «трущихся» поверхностей и образуют между ними слой жидкости. Замена сухого трения внутренним с помощью масел уменьшает трение в 8 - 10 раз.

В отличие от сухого трения, вязкое характеризуется тем, что сила вязкого трения вращается в нуль одновременно со скоростью. Тому, если действует даже небольшая внешняя сила, она может предоставить относительную скорость слоям вязкой среды. Законы, которым подчиняются силы трения между слоями среды, мы детальнее рассмотрим несколько позже, во время изучения механики жидкостей.

Рассмотрим движение твердого тела в вязкой среде (жидким или газообразным). Кроме собственных сил трения, при руссе тел в жидкой или газообразной среде возникают так называемые силы сопротивления среды, которые могут быть значительно больше чем силы трения.

Величина коэффициента сопротивления зависит от формы и размеров тела, состояния его поверхности и от свойств среды, которая называется вязкостью. Например, для глицерина этот коэффициент является значительно больше чем для воды.

Энергия тела вращения

При вращательном руссе твердого тела вокруг неподвижной оси под действием внешних сил производится механическая работа. Давайте определим ее. Как уже отмечалось, только составляющая способна изменять скорость тела. Во время возвращения тела на угол материальная точка опишет дугу. Элементарная работа, которая выполняется силой.

Во время вращения твердого тела разные его точки имеют разную линейную скорость, а следовательно, и разную кинетическую энергию. Кинетическая энергия материальной точки. Кинетическая энергия вращательного движения всего тела равняется сумме кинетических энергий его элементов.

Но не только тело может осуществлять вращательное движение вокруг оси, но и сама ось также может перемещаться. Поскольку любое плоское движение твердого тела можно представить как движение, которое состоит из поступательного движения центра масс и вращательного движения вокруг оси, которая проходит через центр масс и имеет неизменное направление в пространстве, то кинетическая энергия тела, которое осуществляет любое плоское движение, состоит из кинетических энергий поступательного и вращательного движений. Гироскопом называется массивное симметричное тело, которое быстро вращается вокруг оси симметрии, которая может изменять свою ориентацию в пространстве. Теория гироскопу очень детально описана в учебниках.