Силы трения. Закон трения скольжения

Закон трения скольженияСилы трения.

Таким термином называют любые силы, действующие на тело и зависящие от скорости движения тела относительно среды, считающейся неподвижной, и направленные против скорости. Характер зависимости величины силы от скорости для выбора названия силы не имеет значения. Для сухого трения при поступательном относительном движении величина сила трения считается постоянной по величине. Она действует и при наличии движения, тогда её направление задано вектором скорости, и даже при отсутствии относительного движения. В этом случае такую силу называют силой трения покоя (подробности будут обсуждены дальше). Для вязкого трения модуль силы трения пропорционален модулю скорости. Для турбулентного трения модуль силы трения пропорционален квадрату скорости.


Закон трения скольжения.

При контактном взаимодействии тел можно выделить поверхность контакта. Например, теннисный шарик лежит на горизонтальной поверхности стола. Вследствие деформации шарика и стола их взаимодействие осуществляется на некотором «пятне контакта». Принято суммарную силу воздействия одного тела на другое представлять в виде суммы двух векторов, один из которых перпендикулярен к поверхности контакта, а другой лежит в плоскости контакта. Перпендикулярный к поверхности вектор называют нормальной составляющей силы взаимодействия, а вектор, лежащий в плоскости контакта, называют силой трения.


Силы взаимодействия и их "составляющие" — силы трения.

Силы трения препятствуют относительному движению тел, тормозя его или не давая возможности ему начаться.

Наверное, у многих читателей в детстве была замечательная игрушка "Ванька, встань-ка". Она движется (качается) без проскальзывания. При этом центр масс игрушки движется движется "вправо-влево" и "вверх-вниз". Ускорение центра масс игрушки для каждого из упомянутых движений обусловлено изменением силы трения и силы нормального давления, действующих на нее со стороны горизонтальной опоры.

От чего зависит сила сухого трения? (Механизм возникновения сил трения лежит в природе взаимодействия атомов и молекул. Для сколько-нибудь внимательного разбора механизма сил трения сейчас у нас просто не хватает знаний. Необходимо учитывать притяжение молекул, деформации и разрушение тел в области их контакта, передачу энергии через материал тела упругими волнами к месту контакта и от него, отвод тепла от места контакта в толщу тел и так далее. Получается, что сначала требуется изучить молекулярную физику, электромагнетизм, квантовую механику, а потом снова вернуться к изучению трения). Сила сухого трения зависит от условий взаимодействия тел друг с другом. Попробуем выделить самые существенные факторы:

1) От скорости относительного движения тел (Особо следует выделить случай “трения покоя”, когда “внешние силы”, приложенные к телам не в месте их контакта, стремятся привести тела в движение друг относительно друга вдоль поверхности соприкосновения, а взаимодействие тел не позволяет этому движению осуществиться — смотри рисунок внизу).

2) От величины нормальной к границе раздела тел составляющей силы взаимодействия (N).

3) От характера поверхности соприкасающихся тел. (Имеется в виду гладкость или шероховатость поверхности каждого тела.)

4) От материалов, из которых изготовлены тела. Материал характеризуется в свою очередь рядом параметров (твердость, химический состав и т.д.).

5) От реальной площади контакта для каждого момента времени.

6) От времени, в течение которого тела предварительно находились в контакте.

Экспериментально установлено, что:

А) При наличии поступательного относительного движения тел сила трения пропорциональна величине нормальной составляющей силы взаимодействия в месте контакта . Это соотношение называют иногда законом Амонтона. Коэффициент пропорциональности — k — называют коэффициентом трения.

Б) Трение слабо зависит от площади поверхности соприкасающихся тел, оно медленно растет с увеличением площади.

В) Величина силы трения покоя может при заданной величине нормальной составляющей силы взаимодействия принимать значения в некотором диапазоне от 0 до максимального значения.

Г) Сила трения при возникновении относительного движения скачком уменьшается на определенную долю своей величины от максимального значения силы трения покоя.

Д) Сила трения может возрастать или убывать с ростом относительной скорости движения тел (при малых скоростях относительного движения сила трения убывает, а при больших скоростях — возрастает).

Е) Частный случай сухого трения, когда тела не проскальзывают друг относительно друга — это трение при качении. Трение качения при одинаковых нормальных составляющих сил значительно меньше трения скольжения. Сила трения в этом случае зависит не только от величины нормальной составляющей силы взаимодействия, но и от радиуса катящегося тела и материалов, из которых сделано «колесо» и «дорога».

И вот такое богатство знаний мы заменяем простой моделью, описываемой всего одним неравенством: для трения покоя и равенством для случая проскальзывания тел друг относительно друга, имеется ввиду только поступательное движение одного тела относительно другого.

Кстати, относительное движение тел может происходить так, что в разных местах контакта тела имеют разные относительные скорости. (Скажем, имеется относительное вращение тел.) В этом случае величина суммарной силы трения, действующей со стороны одного тела на другое, будет, естественно, меньше, чем . Для правильного описания взаимодействия тел в этом случае нужно будет учитывать и момент сил трения, действующий со стороны одного тела на другое!