Что такое коэффициент трения в физике и с чем он связан? Как вычисляют эту величину? Чему численно равен коэффициент трения? На эти и некоторые другие вопросы, которые затрагивает основная тема, мы дадим ответы в ходе статьи. Конечно же, разберем и конкретные примеры, где мы сталкиваемся с явлением, в котором фигурирует коэффициент трения.
Что такое трение?
Трение - один из видов взаимодействий, происходящих между материальными телами. Возникает процесс трения между двумя телами при их соприкосновении той или иной площадью поверхности. Как и многие прочие виды взаимодействия, трение существует исключительно с оглядкой на третий закон Ньютона. Как это получается на практике? Возьмем два абсолютно любых тела. Пускай это будут два деревянных бруска средних размеров.
Начнем проводить их друг мимо друга, осуществляя соприкосновении по площадям. Вы заметите, что перемещать их относительно друг друга станет заметно сложнее, чем просто перемещать их в воздухе. Здесь как раз свою роль начинает играть коэффициент трения. В данном случае мы абсолютно спокойно можем говорить о том, что сила трения может быть описана третьим законом Ньютона: она, приложенная к первому телу, будет равна численно (по модулю, как любят говорить в физике) такой же силе трения, приложенной ко второму телу. Но не будем забывать, что в третьем законе Ньютона есть минус, говорящий о том, что силы хоть и равны между собой по модулю, но направлены в разные стороны. Таким образом, сила трения - векторная.
Природа силы трения
Сила трения скольжения
Раньше было сказано о том, что если внешняя сила превосходит определенное максимальное значение, допустимое для соответствующей системы, то тела, входящие в такую систему, придут в движение относительно друг друга. Будет ли двигаться одно тело или два, или больше - все это неважно. Важно то, что в этом случае возникает сила трения скольжения. Если говорить о ее направлении, то направлена она в сторону, которая противоположна направлению скольжения (или движения). Зависит она от того, какую относительную скорость имеют тела. Но это если вдаваться в разного рода физические нюансы.
Необходимо заметить, что в большинстве случаев принято считать силу трения скольжения независимой от скорости одного тела относительно другого. Она также никак не связана с максимальным значением силы трения покоя. Огромное количество физических задач решаются именно при помощи применения аналогичной модели поведения, что позволяет существенно облегчить процесс решения.
Что такое коэффициент трения скольжения?
Это есть не что иное, как коэффициент пропорциональности, который присутствует в формуле, описывающей процесс приложения силы трения к тому или иному телу. Коэффициент - это безразмерная величина. Иными словами, он выражается исключительно числами. Он не измеряется в килограммах, метрах или еще чем-то. Практически во всех случаях коэффициент трения численно меньше единицы.
От чего он зависит?
Зависит коэффициент трения скольжения от двух факторов: от того, из какого материала изготовлены тела, которые претерпевают соприкосновение, а также от того, как обработана их поверхность. Она может быть рельефной, гладкой, а также на нее может быть нанесено какое-то специальное вещество, которое будет или снижать, или повышать трение.
Как направлена сила трения?
Она направлена в сторону, которая противоположна направлению движения двух или более соприкасающихся тел. Вектор направления прикладывается по касательной линии.
Если контакт происходит между твердым телом и жидкостью
В том случае, если происходит соприкосновение твердого тела с жидкостью (или некоторым объемом газа), мы можем говорить о возникновении силы так называемого вязкого трения. Она, конечно же, численно будет значительно меньше, чем сила сухого трения. Но направление ее (вектор действия) сохраняется тем же. В случае вязкого трения о покое говорить не приходится.
Связана соответствующая сила со скоростью тела. Если скорость маленькая, то сила будет пропорциональна скорости. Если высокая, то она будет пропорциональна уже квадрату скорости. Коэффициент пропорциональности будет неразрывно связан с тем, какую форму имеют тела, между которыми происходит соприкосновение.
Другие случаи возникновения силы трения
Имеет место данный процесс и при качении какого-либо тела. Но обычно им в задачах пренебрегают, так как сила трения качения весьма и весьма мала. Это, на самом деле, упрощает процесс решения соответствующих задач, хотя при этом сохраняется достаточная степень точности итогового ответа.
Внутреннее трение
Этот процесс также называется в физике альтернативным словом “вязкость”. На самом деле он представляет собой ответвление явлений переноса. Свойственен этот процесс текучим телам. Причем речь идет не только о жидкостях, но и о газообразных веществах. Свойство вязкости заключается в оказании сопротивления при переносе одной части вещества относительно другой. При этом логично совершается работа, необходимая на перемещение частиц. Но она рассеивается в окружающем пространстве в виде тепла.
Закон, определяющий силу вязкого трения, был предложен еще Исааком Ньютоном. Произошло это в 1687 году. Закон и по сегодняшний день носит имя великого ученого. Но все это было только в теории, а экспериментальное подтверждение удалось получить только в начале 19-го века. Соответствующие опыты ставились Кулоном, Хагеном и Пуазейлем.
Итак, сила вязкого трения, которая оказывает на жидкость воздействие, пропорциональна относительной скорости слоев, а также площади. В то же время она обратно пропорциональна тому расстоянию, на котором располагаются слои относительно друг друга. Коэффициент внутреннего трения - это коэффициент пропорциональности, который в данном случае определяется сортом газа или жидкого вещества.
Аналогичным образом будет определяться и другой коэффициент, который имеет место в ситуациях с относительным движением двух течений. Это, соответственно, коэффициент гидравлического трения.
Сила трения возникает при относительном перемещении двух соприкасающихся тел. Трение, возникающее между поверхностями различных тел, называют внешним трением . Если трение проявляется между частями одного и того же тела, то оно называется внутренним трением .
В зависимости от характера относительного перемещения соприкасающихся твердых тел различают трение покоя, трение скольжения итрение качения.
Сила трения покоя возникает между неподвижными твердыми телами, когда есть силы, действующие в направлении возможного движения тела.
Сила трения покоя всегда равна по модулю и направлена противоположно силе, параллельной поверхности соприкосновения и стремящейся привести это тело в движение. Увеличение этой приложенной к телу внешней силы приводит к возрастанию и силы трения покоя. Сила трения покоя направлена в сторону, противоположную возможному перемещению тела.
.
(2.14)
Сила трения покоя препятствует началу движения. Но бывают случаи, когда сила трения покоя служит причиной возникновения движения тела. Например, ходьба человека. При ходьбе сила трения покоя, действующая на подошву, сообщает нам ускорение. Подошва не скользит назад, и, значит, трение между ней и дорогой – это трение покоя.
Силы трения скольжения , возникающее при скольжении одного тела по другому направлены вдоль поверхности соприкосновения тел в сторону, противоположную перемещению. Для одних и тех же твердых тел сила трения скольжения приблизительно пропорциональна силе, прижимающей одно тело к другому, т. е. силе нормального давления одного тела на другое, перпендикулярной к поверхности, по которой соприкасаются эти тела:
. (2.15)
Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом трения скольжения, зависящий от материала и состояния трущихся поверхностей. При решении многих практических задач можно с приемлемой точностью считать коэффициент трения постоянной величиной.
Сила трения, действующая на тело в жидкости или газе F в.тр , так же как и сила трения между твердыми поверхностями, всегда направлена противоположно направлению движения тела и зависит от скорости тела. При достаточно малых скоростях можно считать, что сила трения пропорциональна скорости тела:
а при больших скоростях движения – квадрату скорости:
(2.17)
Коэффициенты и зависят от свойств жидкости или газа и от формы и размеров движущегося тела.
Уменьшить силу трения можно заменив скольжение качением: применение колес, катков, шариковых и роликовых подшипников. Коэффициент трения качения в десятки раз меньше коэффициента трения скольжения. Существенно, что сила трения качения обратно пропорциональна радиусу катящегося тела. В связи с этим у транспорта, предназначенного для движения по плохим дорогам (у вездеходов например), колеса имеют большой радиус. Сила трения качения F тр.к выражается формулой:
, (2.18)
где N - сила нормального давления, R - радиус катящегося тела, μ - коэффициент трения качения.
Как уже отмечалось выше сила трения скольжения всегда направлена в сторону, противоположную скорости движения. Поэтому ускорение, сообщаемое силой трения
Угол и конус трения. Многие задачи на равновесие тела на шероховатой поверхности при наличии силы трения, удобно решать геометрически. Для этой цели используют понятие угла и конуса трения.
Пусть твёрдое тело под действием активных сил находится на шероховатой поверхности в предельном состоянии равновесия, т.е. таком состоянии, когда сила трения достигает своего наибольшего значения при данном значении нормальной реакции (рис. 8.4). В этом случае полная реакция шероховатой поверхности отклонена от нормали к общей касательной плоскости трущихся поверхностей на наибольший угол.
Угол φ между полной реакцией шероховатого тела и направлением нормальной реакции называют углом трения. Угол трения φ зависит от коэффициента трения, т.е.
следовательно, tgφ=ƒ, т.е. тангенс угла трения равен коэффициенту трения скольжения.
Конусом трения называют конус, описанный полной реакцией вокруг направления нормальной реакции. Его можно получить, изменяя активные силы так, чтобы тело на шероховатой поверхности находилось в предельных положениях равновесия, стремясь выйти из равновесия по всем возможным направлениям, лежащим в общей касательной плоскости соприкасающихся поверхностей. Если коэффициент трения во всех направлениях одинаков, то конус трения круговой.
Если неодинаков, то конус трения некруговой, например в случае, когда свойства соприкасающихся поверхностей различны (вследствие определенного направления волокон или в зависимости от направления обработки поверхности тел, если обработка происходит на строгальном станке и т.п.).
Для равновесия тела на шероховатой поверхности необходимо и достаточно, чтобы линия действия равнодействующей активных сил, действующих на тело, проходила внутри конуса трения или в предельном состоянии по его образующей через его вершину (рис. 8.5).
Тело нельзя вывести из равновесия любой по модулю активной силой, если её линия действия проходит внутри конуса трения, т.е. a <φ.
Если линия действия равнодействующей активных сил не проходит внутри конуса трения или по его образующей, т.е. a > φ (рис. 8.5), то тело на шероховатой поверхности не может находиться в равновесии, Q> F.
Задача 1. На тело, находящееся на шероховатой горизонтальной поверхности, действует сила под углом а = 10°. Определить, выйдет ли тело из положения равновесия, если коэффициент трения f = 0,2 (рис. 4).
Решение. Для уравновешенной плоской системы сходящихся сил можно составить два уравнения равновесия:
Находим из (2)
,
.
Так как , то 
, или 
. Тогда .
Так как сила приложена под углом, меньшим угла трения, то тело не выйдет из положения равновесия.
Задача 2. Тело весом 100 Н удерживается на шероховатой наклонной плоскости силой Т (рис. 5). Коэффициент трения скольжения между телом и плоскостью f = 0,6. Определить значение силы Т при равновесии тела на плоскости, если a = 45°.
Решение. Возможны два случая предельного равновесия тела и соответственно два предельных значения силы Т при двух направлениях силы трения:
,
где - коэффициент, учитывающий направление движения, = ±1.
Составим для плоской произвольной системы сил два уравнения равновесия.
Различают трение внешнее и внутреннее .
Внешнее трение возникает при относительном перемещении двух соприкасающихся твердых тел (трение скольжения или трение покоя).Внутреннее трение наблюдается при относительном перемещении частей одного и того же сплошного тела (например, жидкость или газ).
Различают сухое и жидкое (или вязкое ) трение.
Сухое трение возникает между поверхностями твердых тел в отсутствие смазки.
Жидким (вязким) называется трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой или ее слоями.Сухое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения .
Рассмотрим законы сухого трения (рис. 4.5).
|
Рис. 4.5 |
 Рис. 4.6 |
Подействуем на тело, лежащее на неподвижной плоскости, внешней силой , постепенно увеличивая ее модуль. Вначале брусок будет оставаться неподвижным, значит, внешняя сила уравновешивается некоторой силой , направленной по касательной к трущейся поверхности, противоположной силе . В этом случае и есть сила трения покоя.
Установлено, что максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения тел и приблизительно пропорциональна модулю силы нормального давления N :
μ 0 – коэффициент трения покоя , зависящий от природы и состояния трущихся поверхностей.
Когда модуль внешней силы, а следовательно, и модуль силы трения покоя превысит значение F 0 , тело начнет скользить по опоре – трение покоя F тр.пок сменится трением скольжения F ск (рис. 4.6):
| F тр = μ N , | (4.4.1) |
Где μ – коэффициент трения скольжения.
Трение качения возникает между шарообразным телом и поверхностью, по которой оно катится. Сила трения качения подчиняется тем же законам, что и сила трения скольжения, но коэффициент трения μ ; здесь значительно меньше.
Подробнее рассмотрим силу трения скольжения на наклонной плоскости (рис. 4.7).
На тело, находящееся на наклонной плоскости с сухим трением, действуют три силы: сила тяжести , нормальная сила реакции опоры и сила сухого трения . Сила есть равнодействующая сил и ; она направлена вниз, вдоль наклонной плоскости. Из рис. 4.7 видно, что
| F = mg sin α, N = mg cos α. |
 Рис. 4.7 |
– тело остается неподвижным на наклонной плоскости. Максимальный угол
наклона α определяется из условия (F
тр) max = F
или μ mg
cosα = mg
sinα, следовательно,
tg α max = μ, где μ – коэффициент сухого трения.
F
тр = μN
= mg
cosα,
F = mg
sinα.
При α > α max тело будет скатываться с ускорением
a = g
(sinα - μ cosα),
F
ск = ma
= F - F
тр.
Если дополнительная сила F вн, направленная вдоль наклонной плоскости, приложена к телу, то критический угол α max и ускорение тела будут зависеть от величины и направления этой внешней силы.
Силой трения называют силу, возникающую при соприкосновении двух тел и препятствующую их относительному перемещению. Она приложена к телам вдоль поверхности соприкосновения. Трение, возникающее между поверхностями различных тел, называют внешним трением. Если трение проявляется между частями одного и того же тела, то оно называется внутренним трением.
Трение между поверхностями двух соприкасающихся твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки называется сухим трением.
Трение между поверхностью твердого тела и окружающей его жидкой или газообразной средой, в которой тело движется, называется вязким трением.
Различают трение покоя, трение скольжения и трение качения.
Сила трения покоя возникает между неподвижными твердыми телами, когда есть силы, действующие в направлении возможного движения тела.
Сила трения покоя всегда равна по модулю и направлена противоположно силе, параллельной поверхности соприкосновения и стремящейся при вести это тело в движение. Увеличение этой приложенной к телу внешней силы приводит к возрастанию и силы трения покоя. Сила трения покоя направлена в сторону, противоположную возможному перемещению тела (рис. 1 а, б). . Максимальная сила трения покоя пропорциональна модулю силы нормального давления , производимого телом на опору:
Так как по третьему закону Ньютона . Здесь - коэффициент трения покоя, зависящий от материала и состояния трущихся поверхностей. Сила трения покоя препятствует началу движения. Но бывают случаи, когда сила трения покоя служит причиной возникновения движения тела. Например, ходьба человека. При ходьбе сила трения покоя, действующая на подошву, сообщает нам ускорение. Подошва не скользит назад, и, значит, трение между ней и дорогой - это трение покоя.
Рассмотрим брусок, лежащий на тележке (рис. 2). На него действует сила , стремящаяся сдвинуть его с места. В противоположном направлении на брусок со стороны тележки действует сила трения покоя . На тележку со стороны бруска действует такая же по модулю и противоположная по направлению сила , приводящая к движению тележки вправо. Сила трения покоя играет принципиальную роль в движении машин. Шины ведущих колес автомобилей как бы отталкиваются от дороги, и при отсутствии пробуксовки толкающая автомобиль сила - это сила трения покоя.
Сила трения скольжения возникает при соприкосновении движущихся относительно друг друга тел и затрудняет их движение. Сила трения скольжения направлена вдоль поверхности соприкосновения в сторону, противоположную скорости движения. Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормального давления:
где - коэффициент трения скольжения, зависящий от качества обработки поверхностей и их материала.
для данных тел.
( несколько больше ) - сдвинуть тело с места труднее, чем продолжать его начавшееся скольжение).
Сила трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей тел и их положения относительно друг друга, а также от модуля скорости при небольших скоростях, но зависит от направления скорости: при изменении направления скорости изменяется и направление (рис. 3). Действие сил трения скольжения сопровождается превращением механической энергии во внутреннюю.
Существование сил трения объясняется проявлением сил электромагнитного взаимодействия. Силы трения покоя вызываются в основном упругими деформациями микровыступов на поверхности трущихся тел, силы трения скольжения возникают в результате пластических деформаций микровыступов и их частичного разрушения, а также сил межмолекулярного взаимодействия в области контактов.
