Сила — мера механического взаимодействия тел, которое вызывает их ускорение или деформацию [1]. Сила трения сопровождает любое движение, замедляя его или не давая ему возникнуть. Благодаря ей машины могут тормозить и поворачивать, а люди — ходить по асфальту не скользя. РБК Life выяснил, что такое сила трения, зачем она нужна и от чего зависит.
Что такое сила трения
Сила трения — это физическая величина, которая возникает при соприкосновении одного тела с другим либо с жидкой или газообразной средой [2]. Как и любая сила, она измеряется в Ньютонах (Н).
Сила трения возникает из-за притяжения молекул и шероховатости поверхности тел — последняя не позволяет бесконечно скользить соприкоснувшимся предметам и помогает тормозить их. Например, идти по льду сложно и легко упасть, потому что сцепление с ним гораздо слабее, чем с асфальтом. В первом случае сила трения будет меньше, чем во втором.
Виды силы трения
Различают сухое и вязкое (жидкое) трение. Сила вязкого трения возникает при движении твердого тела в жидкости или газе. Например, когда ветер дует в противоположном направлении и мешает самолету развивать скорость. Силы вязкого трения покоя не существует — хватит минимальных усилий, чтобы сдвинуть предмет: лодку или даже баржу в воде [3], [4].
Сила сухого трения возникает при соприкосновении двух твердых тел, когда между ними нет жидкой или газообразной прослойки [5]. Его разделяют на трение покоя, скольжения и качения.
Трение покоя
Сила трения покоя — сила, которая появляется между двумя неподвижными объектами и препятствует возникновению движения. Например, трение покоя или статическое трение возникает, когда к шкафу прикладывается сила, но он не движется. Дело в том, что поверхности соприкасающихся предметов шероховаты и усеяны бугорками, которые можно увидеть через микроскоп. Ими шкаф и пол «сцепляются», что препятствует движению. Благодаря таким деформациям шероховатостей и притяжению молекул возникает сила трения покоя [6], [7]. Она будет увеличиваться пропорционально приложенным усилиям и равняться силе тяги. Соответственно, формула выглядит так: Fтр = Fтяги.
Трение скольжения
Сила трения скольжения — это сила, которая возникает между двумя телами, движущимися относительно друг друга. Например, между санками и снежной горкой, по которой они съезжают. Направление силы трения противоположно скорости движения предмета относительно поверхности, поэтому скорость меняется вместе с силой трения. Также если скользящий предмет сильнее прижать к поверхности, то оба тела деформируются, и из-за этого площадь соприкосновения и сила трения увеличатся пропорционально прижимающей силе.
Трение качения
Сила трения качения — это сила сопротивления движению при перекатывании одного тела по поверхности другого. Она возникает из-за деформации обоих объектов и может быть меньше, чем сила трения скольжения при той же силе давления на поверхность. Трение качения возникает при перекатывании мяча по футбольному полю или колес автомобиля по асфальту.
Формула силы трения скольжения
Для силы трения скольжения действует закон Амонтона-Кулона, согласно которому сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормального давления, с которой одно тело действует на другое. Закон выражается формулой Fтр = μ × N, где Fтр — сила трения, μ — коэффициент силы трения, N — сила нормального давления.
Чем больше сила, которая «прижимает» объект к поверхности, тем больше сила трения скольжения. Перпендикулярно поверхности действует сила нормального давления, которая обозначается буквой N. Если объект движется по горизонтальной поверхности, N равно его весу, а если на объект погрузили другие предметы, их вес тоже учитывается. Так получается, что сила трения прямо пропорциональна силе нормального давления. Сила нормального давления равна весу тела. Соответственно, N = m × g, где m — масса тела, а g — ускорение свободного падения (около 9,81 м/с²).
Подставляем данные в формулу. N = m × g. Для удобства мы округлили значение g до 10. 200 × 10 = 2000 Н, и тогда Fтр = 0,65 × 2000 = 1300 Н. Именно такая общая сила сможет сдвинуть шкаф с места. Сила, с которой может тянуть один человек, в среднем 350 H, делим 1300 Н на 350 Н (3.7) и получаем четыре человека.
От чего зависит сила трения
Коэффициент трения в целом зависит от свойств поверхностей, находящихся в контакте, рассказал РБК Life репетитор по физике, ассистент НИЯУ МИФИ Александр Васильев. Коэффициент определяют материалы тел и их межмолекулярное взаимодействие в месте самого контакта. Можно выделить несколько ключевых причин: шероховатость поверхностей, наличие смазки или иных жидкостей между телами, скорость относительного движения и температура.
Примеры силы трения
Трение может быть полезным и вредным. Полезное стремятся увеличить, а вредное — уменьшить.
Примеры полезного трения
- трение ладоней друг о друга в холодную погоду (трение скольжения) — позволяет выделять тепло и за счет этого согревает;
- бег (трение покоя) — сцепление подошвы или стопы с поверхностью позволяет развить скорость и не поскользнуться;
- движение колес по асфальту (трение качения) — сцепление с поверхностью помогает транспорту не буксовать;
- установленные предметы интерьера (трение покоя) — притяжение молекул и сцепление с поверхностью позволяет столу, стулу, шкафу и другим объектам устойчиво стоять на поверхности.
Примеры вредного трения
- скольжение штанги в руках (трение скольжения) — из-за влажных ладоней штангу невозможно будет поднять;
- трение подшипников (трение скольжения) — из-за отсутствия смазки детали быстро изнашиваются;
- скольжение по гололеду (трение скольжения) — из-за отсутствия сцепления есть риск упасть и получить травму.
Главное о силе трения
- Сила трения — это сопротивление, возникающее при соприкосновении тел или тела с жидкостью/газом, мешающее движению; измеряется в ньютонах (Н).
- Существуют два основных типа трения: сухое (между твердыми телами) и вязкое (в жидкостях и газах).
- Сухое трение делится на три вида: покоя (мешает начать движение), скольжения (сопротивляется уже начавшемуся движению), качения (возникает при перекатывании).
- Основная формула силы трения скольжения: F = μ × N, где μ — коэффициент трения, N — сила нормального давления (чаще всего равна весу тела).
- Коэффициент трения зависит от свойств и состояния поверхностей: их материала, шероховатости, наличия смазки, температуры и скорости.
- Сила трения покоя увеличивается с приложенной силой и достигает максимума в момент, когда тело начинает движение.
- Трение может быть полезным (движение, торможение, удержание предметов) и вредным (износ, потери энергии, перегрев механизмов). Примеры из жизни: скольжение санок, езда велосипеда, торможение автомобиля, сдвиг тяжелого шкафа, трение рук для согревания.
Читайте также:
Трамп заявил о согласии Путина остановить удары по Украине на неделю
Новым владельцем Домодедово стало Шереметьево
Внуково объяснил, почему не вступил в торги на повышение цены Домодедово