Сила трения покоя. Виды сил сухого трения

Сила трения покоя

Сила трения покоя. Виды сил сухого трения
Действия тел друг на друга, создающие ускорения, называют силами: все силы можно разделить на два вида: силы, действующие при непосредственном соприкосновении и силы, действующие независимо от того соприкасаются тела или нет, силы которые могут действовать на расстоянии.

Сила трения возникает при соприкосновении тел и основная черта силы трения состоит в том, что она препятствует движению соприкасающихся тел или возникновению этого движения. Различают силы трения покоя, скольжения и качения.

В повседневной жизни с силой трения мы сталкиваемся ежедневно. Например, сила трения помогает нам удерживать в руках предметы и ходить по земной поверхность.

В зимнее время тротуары посыпают песком для увеличения той самой силы трения, и предотвращения падений на скользкий снег. Приведем еще несколько примеров на эту тему:

  • Лыжи, санки и сноуборды, конечно, прекрасно скользят по снегу спускаясь с горы, но остановятся через некоторое время на горизонтальной поверхности;
  • Автомобили и мотоциклы прекращают движение после остановки двигателя без помощи тормозов — тормозит сила трения. Правда, тормозной путь будет больше;
  • Гвозди и клинья обеспечивают сцепление за счет силы трения;
  • Узлы на веревках, тросах и шнурках не развязываются благодаря трению;
  • Предметы устойчиво стоят на столах и не падают от дуновения ветерка по той же причине;
  • Петли скрипящих дверей смазывают маслом, чтобы уменьшить силу трения;
  • Музыкальные инструменты (струнные и щипковые) звучат благодаря трению.

Рис. 1. Примеры проявления силы трения.

Дадим общее определение силы трения:

Сила трения — это сила, возникающая при контакте двух тел и препятствующая их относительному движению. Сила трения направлена против движения.

Сила трения может быть как полезной, и тогда ее действие стараются усилить, так и нежелательной. В последнем случае стараются всевозможными методами снизить трение.

Как правило, для этого применяются различного рода смазки в виде масел. Например, эффективность двигателя внутреннего сгорания в наибольшей степени зависит от трения поршней о стенки цилиндров.

Производители масел стараются снизить трение и увеличить срок службы двигателя.

Первая причина — не идеальность поверхностей. Казалось бы гладкие на вид и на ощупь поверхности всегда имеют какое то количество бугорков, шероховатостей и царапин, которые мы не можем разглядеть. При движении тела (или при попытке движения) эти дефекты цепляются друг за друга, что в сумме дает некоторую силу, препятствующую движению.

Рис. 2. Граница раздела трущихся поверхностей: царапины, бугры, дефекты.

Вторая причина — сила трения возникает благодаря существованию сил взаимодействия молекул и атомов соприкасающихся тел. Взаимодействие возникает между электрическими зарядами, которые имеют частицы (электроны, протоны), входящие в состав атомов.

Существует или нет сила трения, когда тела находятся в состоянии покоя? Да, существует. Например, если нам понадобится дома передвинуть фортепиано или что-то из мебели, то для этого придется приложить ощутимое усилие, которое только достигнув некой стартовой величины, позволит начать движение.

Еще один пример: тело, лежащее на наклонной плоскости неподвижно, удерживается силой трения, хотя на него действует сила тяжести. В обоих случаях действующая на тела сила уравновешивается силой трения. Сила, возникающая при отсутствии относительного движения тел, называется силой трения покоя.

Рис. 3. Тело на наклонной плоскости, удерживается силой трения.

Сила трения покоя Fтр равна по модулю внешней силе Fвн, направленной по касательной к поверхности соприкосновения тел, и противоположна ей по направлению:

$ Fтр = – Fвн $ (1).

Равенство (1) называется формулой силы трения покоя.

Силу трения покоя тела, лежащего на горизонтальной поверхности можно измерить с помощью динамометра, зацепив его за выступ (крюк) на теле. Натягивая постепенно пружину динамометра мы достигнем некоторого значения, когда тело сдвинется с места, а после этого начнет двигаться равномерно. Это и будет величина силы трения покоя.

На тело в процессе равномерного движения будет действовать уже сила трения скольжения. Оказывается, что сила трения скольжения может быть меньше, чем сила трения покоя. Это происходит потому, что коэффициент трения скольжения зависит от скорости скольжения одного тела относительно другого.

Итак, мы узнали по какой причине вообще возникает сила трения. Сила трения покоя существует даже при отсутствии перемещения тел относительно друг друга. Формула (1) показывает, что сила трения равна внешней силе по модулю, и направлена в противоположную сторону.

Средняя оценка: 4.3. Всего получено оценок: 279.

Источник: https://obrazovaka.ru/fizika/sila-treniya-pokoya.html

Сила трения

Сила трения покоя. Виды сил сухого трения

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: силы в механике, сила трения, коэффициент трения скольжения.

Сила трения — это сила взаимодействия между соприкасающимися телами, препятствующая перемещению одного тела относительно другого. Сила трения всегда направлена вдоль поверхностей соприкасающихся тел.

В школьной физике рассматриваются два вида трения.

1.Сухое трение. Оно возникает в зоне контакта поверхностей твёрдых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки.
2.Вязкое трение. Оно возникает при движении твёрдого тела в жидкой или газообразной среде или при перемещении одного слоя среды относительно другого.

Сухое и вязкое трение имеют разную природу и отличаются по свойствам. Рассмотрим эти виды трения по отдельности.

Сухое трение

Сухое трение может возникать даже при отсутствии относительного перемещения тел.

Так, тяжёлый диван остаётся неподвижным при слабой попытке сдвинуть его с места: наша сила, приложенная к дивану, компенсируется силой трения, возникающей между диваном и полом.

Сила трения, которая действует между поверхностями покоящихся тел и препятствует возникновению движения, называется силой трения покоя.

Почему вообще появляется сила трения покоя? Соприкасающиеся поверхности дивана и пола являются шероховатыми, они усеяны микроскопическими, незаметными глазу бугорками разных форм и размеров. Эти бугорки зацепляются друг за друга и не дают дивану начать движение. Сила трения покоя, таким образом, вызвана силами электромагнитного отталкивания молекул, возникающими при деформациях бугорков.

При плавном увеличении усилия диван всё ещё не поддаётся и стоит на месте — сила трения покоя возрастает вместе с увеличением внешнего воздействия, оставаясь равной по модулю приложенной силе. Это понятно: увеличиваются деформации бугорков и возрастают силы отталкивания их молекул.

Наконец, при определённой величине внешней силы диван сдвигается с места. Сила трения покоя достигает своего максимально возможного значения. Деформации бугорков оказываются столь велики, что бугорки не выдерживают и начинают разрушаться. Возникает скольжение.

Сила трения, которая действует между проскальзывающими поверхностями, называется силой трения скольжения. В процессе скольжения рвутся связи между молекулами в зацепляющихся бугорках поверхностей. При трении покоя таких разрывов нет.

Объяснение сухого трения в терминах бугорков является максимально простым и наглядным. Реальные механизмы трения куда сложнее, и их рассмотрение выходит за рамки элементарной физики.

Сила трения скольжения, приложенная к телу со стороны шероховатой поверхности, направлена противоположно скорости движения тела относительно этой поверхности.

При изменении направления скорости меняется и направление силы трения.

Зависимость силы трения от скорости — главное отличие силы трения от сил упругости и тяготения (величина которых зависит только от взаимного расположения тел, т. е. от их координат).

В простейшей модели сухого трения выполняются следующие законы. Они являются обобщением опытных фактов и носят приближённый характер.

1. Максимальная величина силы трения покоя равна силе трения скольжения.
2. Абсолютная величина силы трения скольжения прямо пропорциональна силе реакции опоры:

.

Коэффициент пропорциональности — называется коэффициентом трения.

3. Коэффициент трения не зависит от скорости движения тела по шероховатой поверхности.
4. Коэффициент трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

Этих законов достаточно для решения задач.

Задача. На горизонтальной шероховатой поверхности лежит брусок массой кг. Коэффициент трения . К бруску приложена горизонтальная сила . Найти силу трения в двух случаях: 1) при 2) при .

Решение.Сделаем рисунок, расставим силы. Силу трения обозначаем (рис. 1).

Рис. 1. К задаче

Запишем второй закон Ньютона:

(1)

Вдоль оси брусок не совершает движения, . Проектируя равенство (1) на ось , получим: , откуда .

Максимальная величина силы трения покоя (она же сила трения скольжения) равна

.

1) Сила меньше максимальной силы трения покоя. Брусок остаётся на месте, и сила трения будет силой трения покоя:
2) Сила больше максимальной силы трения покоя. Брусок начнёт скользить, и сила трения будет силой трения скольжения: .

Вязкое трение

Сила сопротивления, возникающая при движении тела в вязкой среде (жидкости или газе), обладает совершенно иными свойствами.

Во-первых, отсутствует сила трения покоя. Например, человек может сдвинуть с места плавающий многотонный корабль, просто потянув за канат.

Во-вторых, сила сопротивления зависит от формы движущегося тела. Корпус подводной лодки, самолёта или ракеты имеет обтекаемую сигарообразную форму — для уменьшения силы сопротивления. Наоборот, при движении полусферического тела вогнутой стороной вперёд сила сопротивления очень велика (пример — парашют).

В третьих, абсолютная величина силы сопротивления существенно зависит от скорости. При малых скоростях движения сила сопротивления прямо пропорциональна скорости:

.

При больших скоростях сила сопротивления прямо пропорциональна квадрату скорости:

.

Например, при падении в воздухе зависимость силы сопротивления от квадрата скорости имеет место уже при скоростях около нескольких метров в секунду. Коэффициенты и зависят от формы и размеров тела, от физических свойств поверхности тела и вязкой среды.

Так, парашютист при затяжном прыжке не набирает скорость безгранично, а с определённого момента начинает падать с установившейся скоростью, при которой сила сопротивления становится равна силе тяжести:

.

Отсюда установившаяся скорость:

(2)

Задача. Два металлических шарика, одинаковых по размеру и различных по массе, падают без начальной скорости с одной и той же большой высоты.

Какой из шариков быстрее упадёт на землю — лёгкий или тяжёлый?
Решение. Из формулы (2) следует, что у тяжёлого шарика установившаяся скорость падения больше.

Значит, он дольше будет набирать скорость и потому быстрее достигнет земли.

Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/sila-treniya/

Силы трения — Класс!ная физика

Сила трения покоя. Виды сил сухого трения

«Физика — 10 класс»

Вспомните, что такое трение. Какими факторами оно обусловлено?

Почему изменяется скорость движения по столу бруска после толчка?

Ещё один вид сил, с которыми имеют дело в механике, — это силы трения. Эти силы действуют вдоль поверхностей тел при их непосредственном соприкосновении.

Силы трения во всех случаях препятствуют относительному движению соприкасающихся тел. При некоторых условиях силы трения делают это движение невозможным. Однако они не только тормозят движение тел. В ряде практически важных случаев движение тела не могло бы возникнуть без действия сил трения.

Трение, возникающее при относительном перемещении соприкасающихся поверхностей твёрдых тел, называется сухим трением.

Различают три вида сухого трения: трение покоя, трение скольжения и трение качения.

Трение покоя.

Попробуйте сдвинуть пальцем лежащую на столе толстую книгу. Вы приложили к ней некоторую силу, направленную вдоль поверхности стола, а книга остаётся в покое.

Следовательно, между книгой и поверхностью стола возникает сила, направленная против той силы, с которой вы действуете на книгу, и в точности равная ей по модулю. Это сила трения тp.

Вы с большей силой толкаете книгу, но она по-прежнему остаётся на месте. Значит, и сила трения тp настолько же возрастает.

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 остаётся неподвижным, то это означает, что на него действует сила трения покоя тp, равная по модулю и направленная в противоположную сторону силе (рис. 3.22). Следовательно, сила трения покоя определяется действующей на него силой:

тp = -.

Если действующая на покоящееся тело сила хотя бы немного превысит максимальную силу трения покоя, то тело начнёт скользить.

Наибольшее значение силы трения, при котором скольжение ещё не наступает, называется максимальной силой трения покоя.

Для определения максимальной силы трения покоя существует весьма простой, но не очень точный количественный закон. Пусть на столе находится брусок с прикреплённым к нему динамометром. Проведём первый опыт.

Потянем за кольцо динамометра и определим максимальную силу трения покоя.

На брусок действуют сила тяжести m, сила нормальной реакции опоры 1, сила натяжения 1, пружины динамометра и максимальная сила трения покоя тр1 (рис. 3.23).

Положим на брусок ещё один такой же брусок. Сила давления брусков на стол увеличится в 2 раза. Согласно третьему закону Ньютона сила нормальной реакции опоры 2 также увеличится в 2 раза. Если мы снова измерим максимальную силу трения покоя, то увидим, что она увеличилась во столько раз, во сколько раз увеличилась сила 2, т. е. в 2 раза.

Продолжая увеличивать число брусков и измеряя каждый раз максимальную силу трения покоя, мы убедимся в том, что

>максимальное значение модуля силы трения покоя пропорционально модулю силы нормальной реакции опоры.

Если обозначить модуль максимальной силы трения покоя через Fтр. mах, то можно записать:

Fтр. mах = μN         (3.11)

где μ — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения. Коэффициент трения характеризует обе трущиеся поверхности и зависит не только от материала этих поверхностей, но и от качества их обработки. Коэффициент трения определяется экспериментально.

Эту зависимость впервые установил французский физик Ш. Кулон.

Если положить брусок на меньшую грань, то Fтр. mах не изменится.

Максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения тел.

Сила трения покоя изменяется в пределах от нуля до максимального значения, равного μN. За счёт чего может происходить изменение силы трения?

Дело здесь вот в чём.

При действии на тело некоторой силы оно слегка (незаметно для глаза) смещается, и это смещение продолжается до тех пор, пока микроскопические шероховатости поверхностей не расположатся относительно друг друга так, что, зацепляясь одна за другую, они приведут к появлению силы, уравновешивающей силу . При увеличении силы тело опять чуть-чуть сдвинется так, что мельчайшие неровности поверхностей по-иному будут цепляться друг за друга, и сила трения возрастёт.

И лишь при > Fтр. mах ни при каком взаимном расположении шероховатостей поверхности сила трения не в состоянии уравновесить силу , и начнётся скольжение.

Зависимость модуля силы трения скольжения от модуля действующей силы показана на рисунке 3.24.

При ходьбе и беге на подошвы ног действует сила трения покоя, если только ноги не скользят. Такая же сила действует на ведущие колёса автомобиля. На ведомые колёса также действует сила трения покоя, но уже тормозящая движение, причём эта сила значительно меньше силы, действующей на ведущие колёса (иначе автомобиль не смог бы тронуться с места).

В давнее время сомневались, что паровоз сможет ехать по гладким рельсам. Думали, что трение, тормозящее ведомые колёса, будет равно силе трения, действующей на ведущие колёса. Предлагали даже делать ведущие колёса зубчатыми и прокладывать для них специальные зубчатые рельсы.

Трение скольжения.

При скольжении сила трения зависит не только от состояния трущихся поверхностей, но и от относительной скорости движения тел, причём эта зависимость от скорости является довольно сложной. Опыт показывает, что часто (хотя и не всегда) в самом начале скольжения, когда относительная скорость ещё мала, сила трения становится несколько меньше максимальной силы трения покоя. Лишь затем, по мере увеличения скорости, она растёт и начинает превосходить Fтр. mах.

Вы, вероятно, замечали, что тяжёлый предмет, например ящик, трудно сдвинуть с места, а потом двигать его становится легче. Это как раз и объясняется уменьшением силы трения при появлении скольжения с малой скоростью (см. рис. 3.24).

При не слишком больших относительных скоростях движения сила трения скольжения мало отличается от максимальной силы трения покоя. Поэтому приближённо можно считать её постоянной и равной максимальной силе трения покоя:

Fтр ≈ Fтр. mах = μN.

Силу трения скольжения можно уменьшить во много раз с помощью смазки — чаще всего тонкого слоя жидкости (обычно того или иного сорта минерального масла) — между трущимися поверхностями.

Ни одна современная машина, например двигатель автомобиля или трактора, не может работать без смазки. Специальная система смазки предусматривается при конструировании всех машин.

Трение между слоями жидкости, прилегающими к твёрдым поверхностям, значительно меньше, чем между сухими поверхностями.

Трение качения.

Сила трения качения существенно меньше силы трения скольжения, поэтому гораздо легче перекатывать тяжёлый предмет, чем двигать его.

Сила трения зависит от относительной скорости движения тел. В этом её главное отличие от сил тяготения и упругости, зависящих только от расстояний.

Силы сопротивления при движении твёрдых тел в жидкостях и газах.

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

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.

Это приводит к тому, что усилием рук можно сдвинуть тяжёлое тело, например плавающую лодку, в то время как сдвинуть с места, скажем, поезд усилием рук просто невозможно.

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

Примерный характер зависимости модуля силы сопротивления от модуля относительной скорости тела показан на рисунке 3.25. При относительной скорости, равной нулю, сила сопротивления не действует на тело (Fc = 0).

С увеличением относительной скорости сила сопротивления сначала растёт медленно, а затем всё быстрее и быстрее.

При малых скоростях движения силу сопротивления можно считать прямо пропорциональной скорости движения тела относительно среды:

Fc = k1 υ,         (3.12)

где k1 — коэффициент сопротивления, зависящий от формы, размеров, состояния поверхности тела и свойств среды — её вязкости. Вычислить коэффициент k1 теоретически для тел сколько-нибудь сложной формы не представляется возможным, его определяют опытным путём.

При больших скоростях относительного движения сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости:

Fc = k2υ2, υ,         (3.13)

где k2 — коэффициент сопротивления, отличный от k1.

Какую из формул — (3.12) или (3.13) — можно использовать в конкретном случае, определяется опытным путём. Например, для легкового автомобиля первую формулу желательно применять приблизительно при 60—80 км/ч, при больших скоростях следует использовать вторую формулу.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Следующая страница «Примеры решения задач по теме «Силы трения»»
Назад в раздел «Физика — 10 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский»

Динамика — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Основное утверждение механики — Сила — Инертность тела. Масса.

Единица массы — Первый закон Ньютона — Второй закон Ньютона — Принцип суперпозиции сил — Примеры решения задач по теме «Второй закон Ньютона» — Третий закон Ньютона — Геоцентрическая система отсчёта — Принцип относительности Галилея.

Инвариантные и относительные величины — Силы в природе — Сила тяжести и сила всемирного тяготения — Сила тяжести на других планетах — Примеры решения задач по теме «Закон всемирного тяготения» — Первая космическая скорость — Примеры решения задач по теме «Первая космическая скорость» — Вес. Невесомость — Деформация и силы упругости. Закон Гука — Примеры решения задач по теме «Силы упругости. Закон Гука» — Силы трения — Примеры решения задач по теме «Силы трения» — Примеры решения задач по теме «Силы трения» (продолжение) —

Источник: http://class-fizika.ru/10_a38.html

Сила трения покоя. Виды сил сухого трения

Сила трения покоя. Виды сил сухого трения

Силы трения появляются при перемещении соприкасающихся тел или их частей друг относительно друга. Трение, возникающее при относительном перемещении двух соприкасающихся тел, называется внешним; трение между частями одного и того же сплошного тела (например, жидкости или газа) носит название внутреннего трения.

Силу трения, возникающую при движении твердого тела относительно жидкой или газообразной среды, следует отнести к категории сил внутреннего трения, поскольку в этом случае слои среды, непосредственно соприкасающиеся с телом, вовлекаются им в движение с той же скоростью, какую имеет тело, и на движение тела оказывает влияние трение между этими внешними по отношению к ним слоями среды.

Определение 1

Трение между поверхностями двух твердых тел при отсутствии какой-либо прослойки, например смазки между ними, называется сухим. Трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой, а также между слоями такой среды называется вязким (или жидким). Применительно к сухому трению различают трение скольжения, трение качения и трение покоя.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Сила трения скольжения

Сила трения скольжения возникает, когда одно тело перемещается по поверхности другого. Чем больше вес тела, и чем больше коэффициент трения между данными поверхностями (коэффициент зависит от материала, из которого сделаны поверхности), тем больше сила трения скольжения.

Сила трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей. При движении брусок, лежащий на своей большой по площади грани, будет иметь такую же силу трения скольжения, как если его положить на самую маленькую грань.

Причины возникновения силы трения скольжения:

  • Мельчайшие неровности поверхностей двух тел — ими тела цепляются друг за друга при движении. Если бы не было силы трения скольжения, то тело, приведенное в движение кратковременным действием на него силы, продолжало бы двигаться равномерно. Однако, поскольку сила трения скольжения существует, и она направлена против движения тела, то тело постепенно останавливается.
  • Межмолекулярные взаимодействия на соприкасающихся поверхностях двух тел. Данное взаимодействие может возникнуть только на очень гладких, хорошо отполированных поверхностях. Молекулы разных тел оказываются очень близко друг к другу и притягиваются. Из-за этого движение тела тормозится.

Вектор силы трения скольжения $\overline{F}_{mp} $всегда направлен противоположно вектору скорости движения тела относительно соприкасающегося с ним тела. Поэтому действие силы трения скольжения всегда приводит к уменьшению модуля относительной скорости тел.

Сила трения качения

Сила трения качения возникает, когда по поверхности одного тела, перекатывается другое, обычно круглой формы. Например, катятся колеса транспортных средств на дороге, перевернутая на бок бочка с пригорка, шарик по полу. Сила трения качения намного меньше силы трения скольжения.

Вспомните, большую сумку легче вести на колесиках, чем волоком тащить по земле. Причина кроется в разном способе контакта между движущимся телом и поверхностью. При качении колесо как бы вдавливает, подминает под себя поверхность, отталкивается от нее.

Катящемуся колесу не приходится цеплять множество мелких неровностей поверхности, как при скольжении тел.

Замечание 1

Чем тверже поверхность, тем меньше сила трения качения. Например, по песку ехать на велосипеде труднее, чем по асфальту, так как на песке приходится преодолевать большую силу трения качения.

Это связано с тем, что отталкиваться от твердых поверхностей легче, они не сильно вдавливаются.

Можно сказать, что сила, которая действует со стороны колеса на твердую поверхность, не расходуется на деформацию, а почти вся возвращается в виде силы нормальной реакции опоры.

Сила трения покоя

Сила, возникающая на границе соприкосновения тел при отсутствии относительного движения тел, называется силой трения покоя.

Сила трения покоя $\overline{F}_{mp} $равна по модулю внешней силе $\overline{F}$, направленной по касательной к поверхности соприкосновения тел, и противоположна ей по направлению:

Сила трения покоя~окружает нас повсеместно. Все предметы, которые лежат на других телах, удерживаются силой трения покоя. Силы трения покоя даже хватает, чтобы удерживать предметы на наклоненных поверхностях.

Например, человек может стоять на склоне холма, брусок неподвижно лежать на слегка наклоненной линейке. Кроме того, благодаря силе трения покоя возможны такие формы движения, как ходьба и езда.

В этих случаях происходит «сцепление» с поверхностью за счет силы трения покоя, в результате появляется возможность отталкиваться от поверхности.

Причины силы трения покоя такие же, как у силы трения скольжения.

Сила трения покоя возникает, когда пытаются сдвинуть стоящее тело. Пока сила, пытающаяся двигать тело, меньше силы трения покоя, тело будет оставаться на месте. Как только эта сила превысит определенную максимальную силу трения покоя для данных двух тел, одно тело начнет двигаться относительно другого, и на него уже будет действовать сила трения скольжения или качения.

Замечание 2

В большинстве случаев максимальная сила трения покоя немного превосходит силу трения скольжения. Так, чтобы начать двигать шкаф, надо сначала приложить чуть больше усилий, чем прикладывать их, когда шкаф уже двигается. Часто разницей между силами трения покоя и скольжения пренебрегают, считая их равными.

В простейшей модели сухого трения выполняются следующие законы. Они являются обобщением опытных фактов и носят приближённый характер:

  • максимальная величина силы трения покоя равна силе трения скольжения;
  • абсолютная величина силы трения скольжения прямо пропорциональна силе реакции опоры: $\overline{F}_{mp} =\mu N$, а коэффициент пропорциональности $\mu $ называется коэффициентом трения;
  • коэффициент трения не зависит от скорости движения тела по шероховатой поверхности;
  • коэффициент трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

Пример 1

Ученики установили магнит массой $30$ г к школьной доске. Магнит прижимается к доске с силой $6 H$. Какую силу нужно приложить для скольжения магнита вниз и перемещения его вертикально вверх, если коэффициент трения равен $0,3$?

Дано: $m=30$г, $N=6 H$, $\mu =0,3$.

Найти: $F_{1} $, $F_{2} $-?

Решение:

Рисунок 1.

Для того чтобы сдвинуть магнит вниз, сумма силы тяжести $mg$ и дополнительно приложенной силы $F_{1} $ должна быть равной силе трения $F_{B@} $ (или быть больше):

$mg+F=F_{mp} $ (1).

Из формулы (1) и из общей формулы для силы трения

находим искомую силу, необходимую для скольжения магнита вниз:

$F_{mp} =\mu N$($N$- сила с которой магнит прижимается к доске):

$F_{1} =\mu N-mg=1,5 H$.

Для силы, направленной вверх, уравнение (1) примет вид:

\[F_{2} -mg=F_{mp} \]

$F_{2} =\mu N+mg=2,1 H$

Ответ: $F_{1} =1,5 H$, $F_{2} =2,1 H$.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/dinamika/sila_treniya_pokoya_vidy_sil_suhogo_treniya/

Сухое трение

Сила трения покоя. Виды сил сухого трения

Внешнеетрение твердого тела по твердому телуназывается сухимтрением.

Величина трениязависит от состояния поверхностисоприкос­новения и скоростиотносительного перемещения тел.

В возникновениисил трения существенную роль играютсилы молекулярного притяжения, действующиемежду молекулами со­прикасающихсятел, и механические силы, которыевозникают в за­цеплениях отдельныхвыступов, всегда имеющихся даже нахорошо отшлифованных поверхностях.

Действительное соприкосновение телпроисходит при этом на отдельныхучастках, общая площадь которыхзначительно меньше видимой площадисоприкосновения.

На этих участках дажемалые нагрузки создают высокие местныедавления, вызывающие деформацииповерхностного слоя и взаим­ное —внедрение отдельных микрочастей тел.

Такимобразом, сила сухого трения обусловленаследующимиосновнымифакторами: упругой и пластическойдеформациями неровностей при сцеплениии действием молекулярных сил. Строгойтеории сил трения до сих пор не существует.

Различаютдва вида сухого трения: трениескольжения и трениекачения. Первоевозникает при движении груза по плоскости,оси колеса во втулке, гвоздя, вбиваемогов доску; второе — при дви­жении колесаавтомобиля, велосипеда по поверхностиЗемли, шариков шарикоподшипника воправе. (Трение качения мы рассмотримв главе о вращательном движении твердыхтел.)

Поместим нагоризонтальную поверхность столабрусок, при­крепим к его торцу нить иперекинем ее через блок (рис.3).

Рис.3

Кви­сящему концу нити будем прикладыватьпоследовательно возрастаю­щиенагрузки. Брусок останется в покое прилюбых нагрузках, меньших по весунекоторого значения Gмакс.

Следовательно, на брусок, пока онпокоится, действует в направлении,противополож­ном приложенной силе,сила трения: Сила трения, действующая междусоприкасающимися телами в состоянии покоя, называетсясилойтрения покоя. Онаравна по величине и противоположна понаправлению силе, понуждающей тело кдвижению, и меняется по величине при ееиз­менении.

Существование сил тренияпокоя, видимо, связано с проявлениемсил межмолекулярного взаимодействияи с наличием еще до начала скольжениямалых обрати­мых деформаций неровностейпо­верхности.

Придостижении внешней силой предельногозначения силы трения покоя Fмаксвозникает скольжение тел. Законы тренияскольжения были сформулированыфранцузским ученым Амонтоном(1699 г.) и не­зависимоот него Кулоном (1781г.). Величина максимальной силы трения покоя пропорциональна силе реакцииRn,действующей нормально к поверхностямсопри­косновения тел:

(2)

где—коэффициент трения покоя, зависящийтолько от свойств поверхностейсоприкасающихся тел. Выражение (2)называютзакономАмонтона.

Значение коэффициентатрения проще всего найти методомпре­дельного угла,. Для этого измеряютугол .наклона плоскости, при которомначинается скольжение тела, лежащегона ней (рис. 4).

Рис.4

Телои плоскость изготовляют из материалов,для которых хотят найти значение .В момент началаскольжения тела по плоскости сила тренияравна тангенциальной (направленнойпараллельно плоскости) составляющейсилы тяжести: .Реакция плоскости:,гдеm—масса тела.

Отсюда в соответствии с формулой (2)

или

(3)

т. е.коэффициент трения покоя численно равентангенсу предель­ного угла ().

Строгоговоря, коэффициент трения покоянепостоянен, он меняется в зависимостиот давления между телами, от температурыи т. п. Поэтому закон Амонтона можнорассматривать лишь как приближенный.

Если сила, действующая на тело, большепредельного значения силы трения покояF>Fмакс, то тело приобретаетускорение и сила трения покоя переходитв силу трения скольжения. В некоторыхспециальных случаях (трение металлическихтел с очищенной поверхностью и т. п.

)сила трения скольжения для сравнительнонебольшого интервала скоростей примерноравна предельной силе трения покоя ине зависит от скорости движения. Графикзависи­мости силы трения Fтрот скорости vдля этого случая дан на рисун­ке 5. Этазависимость называется закономКулона.

Дляотноситель­нойскорости, равной нулю (v=0),сила трения Fтрне однозначна и может принимать любыезначения от+Fмаксдо Fмакс.Следова­тельно, длякулоновских сил трения коэффициенттрения опреде­ляет величину не толькомаксимальной силы трения покоя, но ивеличину силы трения скольжения.

Рис.5 Рис.6

В общемже случае сила трения скольжения зависитот относительной скорости тел. Характерэтой зависимости изображен на рисунке6.

При скорости v=0сила трения может принимать любыезначения, по абсолютной величине меньшиеили равные Fмакс,Для некоторого весьма малого интервалазначений скорости сила трения приближеннопостоянна, а затем уменьшается, достигаетминимума и начинает возрастать.

Измерениесил трения скольжения производят спомощью при­боров, называемыхтрибометрами. Принципдействия трибометра: одно из испытуемыхтел А (рис.1)приводится в движение относительновторого Б,к телу Б (контртело)прикрепляется динамометр, которыйизмеряет тангенциальную силу, необходимуюдля удержания контртела в покое.

Источник: https://studfile.net/preview/3053461/page:9/

Трение в механизмах. Законы, виды трения

Сила трения покоя. Виды сил сухого трения

Трением называется сопротивление относительному перемещению соприкасающихся и взаимодействующих тел, возникающее в зоне их контакта.

Вектор силы трения, лежит в касательной плоскости к трущимся поверхностям и направлен против скорости относительного движения.

Сила трения покоя имеет место до начала движения при действии сдвигающей силы. Величина неполной силы трения покоя равна приложенной сдвигающей силе; величина полной силы трения равна предельному значению сдвигающей силы, при котором может начаться относительное движение тел.

Сила трения движения возникает при относительном движении тел. Ее величина не зависит от движущей силы, превышение которой над силой трения вызывает ускорение движения тела.

Величины силы трения движения и предельной силы трения покоя при скольжении зависят от следующих факторов:

  • а) нормальной силы;
  • б) удельного давления на трущихся поверхностях;
  • в) скорости относительного движения;
  • г) материалов трущихся тел;
  • д) гладкости трущихся поверхностей;
  • е) смазки и загрязнения трущихся поверхностей.

Величина силы трения качения кроме перечисленных факторов зависит еще от радиусов кривизны поверхностей в месте их соприкосновения.

2. Виды трения

По характеру относительного движения трущихся тел различают:

  1. Трение скольжения, которое может возникнуть при соприкосновении тел по поверхности, по линии или в точке. Под линейчатым понимается касание по малым площадям, протяжённость которых в одном направлении практически мала и зависит от смятия поверхностей. Под точечным подразумевается касание по еще меньшим площадям, имеющим во всех направлениях малую протяженность, зависящую от смятия поверхностей.
  2. Трение качения, возникающее при перекатывании одного тела по другому. Касание тел может быть линейчатым (по прямой) или точечным. Мгновенная ось вращения одного тела относительно другого при чистом качении совпадает с прямой касания или проходит через все точки касания.
  3. Трение верчения, которое может появиться при точечном соприкосновении (обычно в одной точке). Площадь касания мала и зависит от смятия поверхностей. Относительное движение тел вращения вокруг оси, проходящей через точку касания по нормали к соприкасающимся поверхностям.

На практике часто один вид трения сопровождается другим. По характеру смазки трущихся поверхностей различают:

  • чистое трение при отсутствии на трущихся поверхностях следов посторонних веществ (в механизмах не встречается, может быть получено в вакууме);
  • сухое трение при отсутствии смазки (в механизмах возможно при хорошей изоляции трущихся поверхностей от системы смазки;
  • полусухое трение, сочетание сухого и граничного (смазка в порах поверхностей);
  • граничное трение при очень тонкой масляной пленке (0,1 мкм и менее), прочно удерживающейся на трущихся поверхностях (смазка ненасыщенным туманом);
  • полужидкостное трение – сочетание жидкостного и граничного;
  • жидкостное трение, когда трущиеся поверхности полностью разделены слоем смазки.

Попадание достаточного количества смазки в зазор между трущимися поверхностями обеспечивается:

  • а) самозатягиванием при достаточной скорости движения и при наличии соответствующих поверхностей, образующих масляный клин в сочетании с явлением капиллярности;
  • б) подачей смазки в зазор под давлением, что обеспечивает жидкостное трение при сколь угодно малой скорости относительного движения поверхностей (применяется, например, для смазки направляющих некоторых станков).

2.1. Трение скольжения

Трение скольжения за исключением жидкостного характеризуется формулами (рис. 1).

Рис. 1. Схема взаимодействия сил при скольжении тел

Если силы, приложенные к телу А, стремятся его сдвинуть (или же двигают) по опорной поверхности В, то в месте контакта помимо нормальной составляющей реакции N возникает касательная составляющая T, направленная против движения действительного или возможного, обусловленная шероховатостью и называемая силой трения. Наибольшая величина силы сухого трения пропорциональна нормальному давлению трущихся поверхностей друг на друга.

(1)

где f – коэффициент трения скольжения (безразмерная величина). Величина f зависит от материала и степени обработки (а также от температуры) трущихся поверхностей.

В момент начала движения (T=Tmax) f имеет наибольшее значение (статический коэффициент трения или коэффициент трения при покое), после чего сразу несколько уменьшается, изменяясь в дальнейшем со скоростью сравнительно мало.

При этом для большинства материалов f при увеличении скорости уменьшается.

Углом трения называется угол между полной реакцией R и нормальной реакцией N. При T=Tmax этот угол называется предельным углом трения. Обозначая его через φ, имеем φ=arctg f. Ориентировочные значения коэффициентов трения скольжения приведены в табл. 1.

Таблица 1. Значения коэффициентов трения скольжения

Материалы трущихся поверхностейКоэффициент трения f
покоядвижения
насухосо смазкойнасухосо смазкой
Сталь — сталь0,150,1 – 0,120,150,05 – 0,1
Сталь—мягкая сталь0,20,1 – 0,2
Сталь — чугун0,30,180,05 – 0,15
Мягкая сталь — чугун0,20,180,05 – 0,15
Сталь — бронза0,150,1 – 0,150,150,1 – 0,15
Мягкая сталь — бронза0,20,180,07 – 0,15
Чугун — чугун0,150,150,07 – 0,12
Чугун — бронза0,15 – 0,20,07 – 0,15
Бронза — бронза0,10,20,07 – 0,1

2.2. Трение качения

Трение качения возникает при перекатывании круглого тела по поверхности качения.

При качении тела по пoверхности другого (рис. 2) к еηо оси должна быть положена сила Р для преодоления сопротивления, выражаемого моментом сопротивления при качении (моментом пары трения качении):

(2)

где N – нормальное давление (в случае рис. 2 N равна весу G); k – коэффициент трения качения (выражается в единицах длины), называемый также плечом пары трения.

Рис. 2. Схема взаимодействия сил при качении тел

Пара N’ и N” с моментом m смещает нормальную реакцию N в сторону движения на расстояние k. Качение без скольжения имеет место, если f r > k.

Ориентировочные значения коэффициентов трения качения круглого тела по поверхности качения приведены в табл. 2.

Таблица 2. Значения коэффициентов трения качения круглого тела по поверхности качения

Материалы круглого тела и поверхности каченияКоэффициент трения k, см
Мягкая сталь— мягкая сталь0,005
Закаленная сталь — закаленная сталь0,001
Чугун — чугун0,005
Дерево— сталь0,03 – 0,04

2.3. Жидкостное трение

Жидкостное трение характеризуется формулой для силы внутреннего трения

(3)

где η – абсолютная вязкость; S – площадь трущихся поверхностей; υ – градиент скорости.

Абсолютная вязкость η по замеряемой относительной вязкости Е в градусах Энглера определяется по формуле:

(4)

Жидкостное трение обеспечивается, если несущая способность масляного слоя будет равна нормальной силе при заданной скорости относительного движения и при толщине масляного слоя, превышающей сумму высот неровностей на поверхностях трения.

При небольшой шероховатости (с наибольшей высотой неровностей до 0,1 толщины масляного слоя) получаем надежное жидкостное трение с характером движения жидкости в зазоре, близким к ламинарному. При более шероховатых поверхностях трения и большой скорости относительного движения поверхностей движение жидкости в зазоре становится турбулентным, и потери на трение сильно возрастают.

Получающийся вследствие этого нагрев масла в зазоре и снижение его вязкости создают опасность разрыва масляного слоя и нарушения жидкостного характера трения.

На практике приведенный коэффициент трения с учетом смазки определяют по формуле:

(5)

где p – среднее удельное давление в кг/см2; η – вязкость масла в сантипаузах, n – частота вращения в об/мин.

3. Моменты трения

Моменты трения можно определить по формуле:

(6)

где Q -приложенная нагрузка; f – коэффициент трения; r – плечо, на котором приложена сила трения.

Моменты трения в подвижных соединениях машин, работающих при меняющихся режимах нагружения, определяются по формулам, учитывающим форму и шероховатость поверхностей деталей в зоне контакта, а также наличие смазки с учетом ее количества и вязкости. В расчетах вместо f – коэффициента трения используют fпр – приведенный коэффициент трения, который учитывает условия работы трущейся пары (форму направляющих, наличие смазки и др).

Например, для V-образной направляющей приведенный коэффициент трения равен:

(7)

где α – угол наклона боковой направляющей.

Для колеса тележки с наружным диаметром D (качение) и с подшипником скольжения на цапфе d приведенный коэффициент трения будет равен:

(8)

Для подшипника скольжения при достаточном подводе смазки и средних кромочных давлениях момент трения можно определить по формуле:

(9)

где d и f – диаметр и длина подшипника скольжения в мм; Δ – диаметральный зазор в посадке подшипника в мм; n – частота вращения в об/мин; η – вязкость масла в сантипаузах.

Для зубчатого зацепления момент трения можно определить по формуле:

(10)

где P0 – окружное усилие в кг; d0, b – диаметр начальной окружности и ширина шестерни в мм; υ – окружная скорость в м/сек; с – коэффициент, равный 3–6 при струйной смазке и 5–10 при смазке погружением на высоту зуба и доходящий до 50 при погружении на большую глубину.

Значения f и k для конкретных передач в подвижных соединениях машин даны в соответствующих разделах технической литературы, посвященной расчету деталей машин.

Источник: https://extxe.com/19126/trenie-v-mehanizmah-zakony-vidy-trenija/

Booksm
Добавить комментарий