Здравствуйте, уважаемые читатели! Как вы относитесь к силе трения? Мне она очень нравится - с одной стороны простая, но парадоксальная и неожиданная. Когда в школе проходят силу сухого трения, сразу говорят о ее основном свойстве - независимости силы трения от площади соприкасающихся поверхностей. В доказательство приводят такой эксперимент: брусок-параллелепипед равномерно тянут по столу за разные грани динамометром. Площадь соприкосновения со столом меняется, а сила тяги, а значит и трения, остается неизменной.
Я тянула ящик с кошкой динамометром, меняя ориентацию ящика и измеряя силу. Правда, при вертикальном вытянутом положении провести эксперимент не удалось, потому что ящик падал, но этого хватило, чтобы хвостатые убедились в правильности школьных формул.
И братьев наших меньших, и даже многих старших школьников убеждают такие эксперименты. Давайте всё же разберемся подробнее, дадим теоретическое объяснение этого факта. Казалось бы, чем больше площадь соприкосновения поверхностей, тем больше должна быть сила взаимодействия. Значит, сила трения должна зависеть от площади!
В школе говорят, что трение возникает потому, что поверхности имеют шероховатости. Шероховатости зацепляются друг за друга, таким образом возникает сила сопротивления движению. Но опять же, чем больше площадь поверхностей, тем больше количество этих самых шероховатостей!
В школьных задачках я пользовалась законом Амонтона-Кулона для трения и получала свои пятерки. Но шероховатости остались. Только недавно я поняла, как с ними справиться.
Разбираемся с площадями и пропорциональностями
Во первых, важно понять, о какой именно площади идет речь. Площадь дна скользящего по полу ящика - это одно, а площадь контакта молекул ящика с молекулами пола - совсем другое. Так вот, сила трения зависит от второй площади, площади контакта.
Вторая важная вещь - связь площади контакта с нагрузкой. Площадь контакта оказывается пропорциональна внешней нагрузке, что вполне логично предположить из модели шероховатостей.
Чтобы вам стало понятнее (или чтобы вас окончательно запутать), я написала немного формулок. Сразу скажу, что это не строгий вывод и не претендует на истину из учебника.
Смотрите, что получается. Когда нагрузкой при контакте является то же самое тело, что испытывает трение, площадь тела в формулах сокращается! В этом случае действительно сила трения не будет зависеть от площади поверхности.
Исключения. Когда сила трения зависит от площади тела
- Сила трения будет зависеть от площади, если само тело не является нагрузкой. Это происходит, например, в случае рубки или пиления дров, забивания гвоздей:
Силой давления, которая создает трение в случае гвоздя, будет уже не вес самого гвоздя, а сила упругости доски. Чем дальше гвоздь вбит в доску, тем больше будет сила трения.
2. Сила трения будет зависеть от площади тела, если нет шероховатостей, в случае атомарно чистых поверхностей соприкосновения. В этом случае трение будет похоже на адгезию - прилипание. Коэффициент пропорциональности между площадью контакта и площадью тела будет почти равен единице и не будет зависеть от давления. Сила трения атомарно чистых поверхностей резко увеличивается по сравнению со слегка шероховатыми поверхностями - это парадоксальный факт!
Заключение
Уважаемые читатели, возможно, все эти формулы и исключения ещё больше вас запутали. Трение - действительно сложный вопрос, и в школе старательно обходят острые углы так, чтобы ученик что-то понял, а если не понял, мог бы запомнить. В этом искусство авторов учебника и учителей. А я вас, друзья, совсем не берегу, хоть и стараюсь объяснять понятно. Пишите, пожалуйста, в комментариях ваши вопросы и замечания.
Спасибо, что дочитали до конца!
Еще одна моя статья про трение и школьные задачи: Хитрости сухого трения