Сила трения
1. Причины возникновения силы трения
Сила трения возникает между поверхностями двух взаимодействующих тел. Если одно тело движется по поверхности другого, сила трения всегда направлена против движения. Рассмотрим эту ситуацию подробнее.
Часто приходится слышать фразы: «Не сотри ноги!», «Сотри, пожалуйста, с доски!». Что при этом имеется в виду? Какое явление скрывается за подобными фразами?
Когда поверхность одного тела движется по поверхности другого тела, то, даже если нам не видны бугорки, трещины, царапины, неровности – шероховатости на поверхностях тел, они начинают задевать друг за друга. Это и есть одна из причин возникновения силы трения (Рис. 1).
Рис. 1. Шероховатости на поверхностях тел – первая причина появления силы трения
Существует еще одна причина, по которой появляется сила трения. Опыт показал, что если начать устранять неровности на поверхностях трущихся тел, тщательно шлифуя их, то вначале сила трения, как и ожидается, будет уменьшаться. Но когда поверхности тел будут приближаться к идеально гладким, сила трения резко возрастет, тела начнут буквально прилипать друг к другу. Это происходит потому, что молекулы идеально гладких поверхностей начинают располагаться настолько близко друг к другу, что между ними начинают действовать силы взаимного притяжения (Рис. 2).
Рис. 2. Взаимное притяжение молекул – вторая причина появления силы трения
На практике чаще всего приходится сталкиваться с силой трения, вызванной шероховатостями на поверхностях тел.
2. Трение скольжения
Заставим брусок скользить по поверхности стола, действуя на него горизонтально направленной силой.
Сила трения скольжения возникает при скольжении одного тела по поверхности другого.
Для измерения этой силы воспользуется динамометром. Если перемещать тело равномерно, то сила упругости пружины динамометра (то есть показания прибора) будет равняться силе трения скольжения, действующей на брусок со стороны стола (Рис. 3).
Силу трения можно увеличить, положив на брусок нагрузку (например, гирю или другой брусок).
Рис. 3. Измерение силы трения
Оказывается, что силу трения скольжения можно изменить, изменив материал трущихся поверхностей или способ их обработки (шлифовка, полировка, или, наоборот, создание искусственной шероховатости, как на подошвах спортивной обуви или на автомобильных покрышках). Например, положив на стол под бруски наждачную бумагу можно заметить значительное увеличение силы трения.
Итак, сила трения скольжения зависит:
· от нагрузки;
· от качества обработки поверхностей взаимодействующих тел.
3. Трение качения
Часто в различных механизмах, да и просто в быту стараются заменить трение скольжения трением качения.
Сила трения качения возникает при качении одного тела по поверхности другого.
Оказывается, при прочих равных условиях сила трения качения в десятки и сотни раз меньше силы трения скольжения (Рис. 4).
Рис. 4. Сила трения качения значительно меньше силы трения скольжения
Этот факт используется в подшипниках качения (шариковых и роликовых) (Рис. 5).
Рис. 5. Шариковый (а) и роликовый (б) подшипники качения
4. Трение покоя
Разместим на горизонтальном столе тело и, пользуясь динамометром, начнем действовать на тело все увеличивающейся горизонтальной силой. До некоторых пор груз будет оставаться неподвижным. Следовательно, на груз действует сила, компенсирующая силу упругости пружины динамометра. Это и есть сила трения покоя (Рис. 6).
Сила трения покоя возникает при действии на неподвижное тело силы, направленной параллельно поверхности контакта этого тела с другим телом.
Рис. 6. Брусок остается неподвижным благодаря силе трения покоя
У силы трения покоя есть максимальное значение. Если увеличить силу натяжения пружины динамометра до этого максимального значения, тело придет в движение, а трение покоя сменится трением скольжения.
Трение покоя – своеобразный «страж» состояния покоя. Именно благодаря трению покоя предметы не скользят по поверхности стола, мебель – по поверхности пола. Нитки, из которых соткана наша одежда, каждая находится на своем месте, и ткань сохраняет свою целостность. Узлы не распускаются сами по себе, а наши ноги не скользят по поверхности Земли.
5. Управление величиной силы трения
Очень часто приходится рассматривать вопрос об увеличении или об уменьшении трения в тех случаях, когда оно полезно, или, наоборот, вредно.
Рассмотрим различные способы изменения величины силы трения, опираясь на известные пословицы и поговорки.
«Баба с воза – кобыле легче». Если уменьшить величину нагрузки, то сила трения станет меньше.
«Готовь сани летом, а телегу зимой». В данном случае идет речь о замене трения скольжения на трение качения.
«Плуг от работы блестит». Здесь можно вспомнить, что при скольжении по менее шероховатой (блестящей) поверхности сила трения меньше.
«Не подмажешь – не поедешь». Хотя эту ситуацию мы еще не рассматривали, но вы знаете, что и в быту, и в технике для уменьшения трения очень часто используются различные смазочные материалы. Слой жидкой смазки, располагаясь между трущимися поверхностями, значительно уменьшает силу трения. Именно об этом и говорится в данной поговорке.
Итак, подводя итоги, можно сказать, что величина силы трения зависит от:
· вида трения (трение скольжения или качения);
· нагрузки;
· качества обработки поверхностей;
· использования смазочных материалов.
Теперь, когда вы изучили свойства силы трения, попробуйте облегчить задачу своим друзьям или членам семьи в следующей ситуации. Требуется передвинуть из одного угла комнаты в другой тяжелый шкаф. Что вы посоветуете?