Трение. Трение покоя, скольжения и качения. Трение в жидкостях и газах

Пашикова Т.Д.

Преподователь кафедры общей физики

Туркменский государственный университет им. Махтумкули

(г. Ашхабад, Туркменистан)

Трение. Трение покоя, скольжения и качения. Трение в жидкостях и газах

Сила трения имеет электромагнитную природу. В земных условиях трение сопутствует любому движению тел, она всегда направлена вдоль соприкасающихся поверхностей. 1) Трение обусловлено шероховатостью соприкасающихся поверхностей – взаимным зацеплением выступов на них. 2)При достаточно гладких поверхностях главной причиной трения становятся силы сцепления между молекулами трущихся поверхностей.

Трение играет большую роль в природе и технике. Посредством трения осуществляется необратимый переход всех видов энергии в теплоту. Благодаря трению приходит в движение и останавливается транспорт. Действие органов передвижения и хватательных органов живых существ основано на трении скольжения. Трение удерживает корни растений в почве, песок – в железнодорожной насыпи и т.п.

Рассмотрим внешнее (сухое) трение – трение между поверхностями соприкасающихся твердых тел. При контакте твердых тел возможны три вида трения – трение покоя , трение скольжения , трение качения .

Силу трения, действующую между двумя телами, неподвижными относительно друг друга называют силой трения покоя .

Если на тело действует сила , параллельная поверхности, на которой оно находится и тело при этом остается неподвижным, то это означает, что на него действует сила трения покоя , равная по модулю и направленная в противоположную сторону силе .(рис.1,б). Следовательно, сила трения покоя определяется действующей на него силой

(1)

рис.1

Когда ускорение тела равно нулю, сила трения равна по модулю и противоположна по направлению той силе, которая на ряду с трением действует на тело параллельно поверхности его соприкосновения с другим телом. Если параллельно этой поверхности другие силы не действуют, то трение покоя будет равно нулю (рис.1,а).

Наибольшее значение силы трения, при котором скольжение еще не наступает, называется максимальной силой трения покоя (рис.1,в). Если действующая на покоящееся тело сила хотя бы немного превысит максимальную силу трения покоя, то тело начнет скользить.

Максимальное значение модуля силы трения покоя пропорционально модулю силы нормальной реакции опоры . Этот закон впервые установил экспериментально французский физик Кулон.

, (2)

где – коэффициент трения покоя. Коэффициент трения характеризует обе трущиеся поверхности и зависит не только от материала этих поверхностей но и от качества их обработки. Он определяется экспериментально.

От площади соприкосновения тел не зависит.

Сила трения скольжения – это сила трения, которая возникает при скольжении одного тела по поверхности другого.

При скольжении сила трения зависит не только от состояния трущихся поверхностей, но и от относительной скорости движения тел. Опыт показывает, что в самом начале скольжения, когда относительная скорость еще мала, сила трения становится несколько меньше максимальной силы трения покоя. Лишь затем, по мере увеличения скорости, она растет и начинает превосходить рис.2.

Зависимость модуля силы трения скольжения от модуля относительной скорости тел показана на рис.3. При не слишком больших относительных скоростях движения сила трения скольжения мало отличается от максимальной силы трения покоя. Поэтому

(3)

рис.2 рис.3

Важная особенность силы трения скольжения состоит в том, что она всегда направлена противоположно относительной скорости соприкасающихся тел.

Силу трения скольжения можно уменьшить с помощью смазки. Трение между слоями жидкости, прилегающими к твердым поверхностям, значительно меньше, чем между сухими поверхностями. Наиболее радикальным способом уменьшения сил трения, получившим в последнее время все большее распространение, является создание «воздушной подушки» между соприкасающимися поверхностями. В тех случаях, когда трение играет вредную роль, его уменьшают, помещая между трущимися поверхностями вязкую жидкость (смазку). Тем самым внешнее трение твердых тел заменяют значительно меньшим внутренним трением жидкости.

Другой способ уменьшения трения – замена скольжения качением: применение колес, катков, шариковых и роликовых подшипников.

Сила трения, возникающая в случае, когда одно тело катится по поверхности другого, называется силой трения качения .

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, колеса имеют большой радиус. Сила трения качения выражается формулой:

(4)

где N – сила нормального давления;R – радиус катящегося тела; – коэффициент трения, зависящий от свойств материала соприкасающихся поверхностей (имеет размерность длины).

При движении твердого тела в жидкости или в газе на него действует сила сопротивления среды . Эта сила направлена против скорости тела относительно среды и тормозит движение.

Главная особенность силы сопротивления состоит в том, что она появляется только при наличии относительного движения тела и окружающей среды. Сила трения покоя в жидкостях и газах полностью отсутствует.

Модуль силы сопротивления зависит от размеров, формы и состояния поверхности тела, свойств среды (жидкости или газа), в которой тело движется, и от относительной скорости движения тела и среды.

Примерный характер зависимости модуля силы сопротивления от модуля относительной скорости тела показан на рис.4.При относительной скорости, равной нулю, сила сопротивления не действует на тело (=0). При малых скоростях движения силу сопротивления можно считать прямо пропорциональной скорости движения тела относительно среды:

(5)