Что такое сила трения определение

Что такое сила трения определение

При наличии относительного движения двух контактирующих тел силы трения, возникающие при их взаимодействии, можно подразделить на:

  • Трение скольжения — сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения.
  • Трение качения — момент сил, возникающий при качении одного из двух контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого.
  • Трение покоя — сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга. Возникает при микроперемещениях (например, при деформации) контактирующих тел. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного относительного движения.

В физике взаимодействия трение принято разделять на:

  • сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками (в том числе и твердыми смазочными материалами) — очень редко встречающийся на практике случай. Характерная отличительная черта сухого трения — наличие значительной силы трения покоя;
  • граничное, когда в области контакта могут содержаться слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и так далее) — наиболее распространённый случай при трении скольжения.
  • смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
  • жидкостное (вязкое), при взаимодействии тел, разделённых слоем твёрдого тела (порошком графита), жидкости или газа (смазки) различной толщины — как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость, величина вязкого трения характеризуется вязкостью среды;
  • эластогидродинамическое, когда решающее значение имеет внутреннее трение в смазывающем материале. Возникает при увеличении относительных скоростей перемещения.

В связи со сложностью физико-химических процессов, протекающих в зоне фрикционного взаимодействия, процессы трения принципиально не поддаются описанию с помощью методов классической механики.

Закон Амонтона — Кулона

Основной характеристикой трения является коэффициент трения , который определяется материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел.

В простейших случаях сила трения и нормальная нагрузка (или сила нормальной реакции) связаны неравенством

обращающимся в равенство только при наличии относительного движения. Это соотношение называется законом Амонтона — Кулона.

Закон Амонтона — Кулона с учетом адгезии

Для большинства пар материалов значение коэффициента трения не превышает 1 и находится в диапазоне 0,1 — 0,5. Если коэффициент трения превышает 1 1)" border="0" />, это означает, что между контактирующими телами имеется сила адгезии и формула расчета коэффициента трения меняется на

.

Прикладное значение

Трение в механизмах и машинах

В большинстве традиционных механизмов (ДВС, автомобили, зубчатые шестерни и пр.) трение играет отрицательную роль, уменьшая КПД механизма. Для уменьшения силы трения используются различные натуральные и синтетические масла и смазки. В современных механизмах для этой цели используется также напыление покрытий (тонких плёнок) на детали. С миниатюризацией механизмов и созданием микроэлектромеханических систем (МЭМС) и наноэлектромеханических систем (НЭМС) величина трения по сравнению с действующими в механизме силами увеличивается и становится весьма значительной , и при этом не может быть уменьшена с помощью обычных смазок, что вызывает значительный теоретический и практический интерес инженеров и учёных к данной области. Для решения проблемы трения создаются новые методы его снижения в рамках трибологии и науки о поверхности (англ.).

Сцепление с поверхностью

Наличие трения обеспечивает возможность перемещаться по поверхности. Так, при ходьбе именно за счёт трения происходит сцепление подошвы с полом, в результате чего происходит отталкивание от пола и движение вперёд. Точно так же обеспечивается сцепление колёс автомобиля (мотоцикла) с поверхностью дороги. В частности, для увеличения улучшения этого сцепления разрабатываются новые формы и специальные типы резины для покрышек, а на гоночные болиды устанавливаются антикрылья, сильнее прижимающие машину к трассе.

Читайте также:  Разведение широкогрудых индюков в домашних условиях

В статье простым и доступным языком раскрывается понятие силы трения, причины её возникновения и роль в жизни людей и животных. Кроме этого, показаны примеры базовых задач и простейшие формулы, необходимые для решения.

Определение силы трения

Каждый раз, когда соприкасающиеся тела или их части движутся относительно друг друга, возникает сила, стремящаяся это движение прекратить или хотя бы уменьшить. Подобное физическое явление называется силой трения, и направление её действия всегда противоположно движению.

ВАЖНО: трение может быть как внешним, так и внутренним. К первому типу относится любое противодействие перемещению двух и более тел, а ко второму – трение внутри одного сплошного объекта, например в газе или жидкости.

В чём измеряется сила трения

В международной системе единиц (СИ) сила трения, как и любая другая, измеряется в ньютонах (Н), которые являются производными единицами и определяются как отношение килограмма (кг) на отношение метра (м) к секунде в квадрате (с 2 ), то есть Н = кг / (м/с 2 ).

Интересный факт: до принятия СИ в 1960 году использовали абсолютную физическую систему единиц, и размерностью силы была дина. Так как 1 дин = 1 г / (см/с 2 ), то дины и ньютоны отличаются на пять порядков, а именно: 1 дин = 10 -5 Н.

Как измерить силу трения

Для измерения механической силы обычно используют динамометр – прибор, ключевыми частями которого являются силовой элемент (в основном пружина) и отчётное звено (например, линейка).

Принцип действия примитивного пружинного динамометра прост: сила, действующая на прибор, сжимает или растягивает упругое звено (в зависимости от направления действия), а её величина регистрируется при помощи измерительной части.

Для того чтобы узнать величину силы трения, передающейся на деревянный брусок при его движении по столу, нужно прикрепить к объекту динамометр и потянуть за пружину в горизонтальной плоскости.

ВНИМАНИЕ: перемещать прибор нужно равномерно и с постоянной скоростью.

На исследуемую систему будут действовать две силы, одна из которых препятствует движению бруска (сила трения), а вторая противится деформации пружины (сила упругости).

СПРАВКА: в данном случае сила тяжести не учитывается, так как её направление перпендикулярно рабочей плоскости.

Вследствие того, что перемещение динамометра равномерное, силы уравновешивают друг друга и имеют одинаковое значение, а так как на измерительной шкале регистрируется сила упругости пружины, то указанная величина и есть искомая цифра.

Подобным опытом можно так же доказать, что сила трения зависит от массы бруска. Установив дополнительный груз и осуществив повторное исследование, легко заметить, что значение на линейке увеличилось.

Виды силы трения

В трибологии, разделе физики, изучающем взаимодействие контактирующих тел при их относительном движении, трение принято разделять на несколько видов.

Вид трения Описание Отличительная особенность
Сухое Здесь соприкасающиеся объекты не разделены слоями, например смазкой или подобными материалами На практике встречается очень редко
Граничное В области, где предметы контактируют между собой, присутствуют слои различной природы, например окисная плёнка Наиболее встречающийся вариант при скольжении
Вязкое (жидкостное) Контактирующие тела разделены жидкостью, газом, смазкой или, возможно, порошком графита различной толщины Обычно присутствует при качении, когда объекты опущены в жидкость
Эластогидродинамическое Здесь существенную роль играет внутреннее трение, присутствующее в смазке Возникает при увеличении относительной скорости

СПРАВКА: помимо указанных, выделяют ещё один вид трения – смешанное, при котором область контакта тел можно разделить на участки сухого и вязкого трения.

В зависимости от способа перемещения объектов относительно друг друга на них действует:

  • сила трения скольжения;
  • сила трения покоя;
  • сила трения качения.
Читайте также:  Кузня в гараже своими руками

Сила трения скольжения – определение и формула

Данное явление имеет место при относительном движении соприкасающихся тел, придавая при этом объекту с большей скоростью отрицательное ускорение и уменьшая быстроту его перемещения.

Сила трения скольжения зависит от силы реакции области соприкосновения поверхностей, скорости смещения тел относительно друг друга и материалов контактирующих частей.

ВНИМАНИЕ: площадь соприкосновения не влияет на исследуемую величину.

Формула силы трения скольжения выражает прямо пропорциональную зависимость трения от нормальной реакции опоры N:

где μ – коэффициент трения (иногда обозначается как k), зависит от материала и степени обработки поверхности контакта. Значения указанной величины найдены эмпирически, и полученные данные, в зависимости от природы контактирующих тел, сведены в таблицу.

СПРАВКА: знак «минус» в формуле характеризует противонаправленность трения движению.

Внешние приложенные к телу силы не влияют на трение скольжения, что можно наблюдать на графике:

Здесь заштрихованная часть соответствует зоне силы трения покоя, величину которой необходимо превысить, чтобы предмет сдвинулся с места при воздействии на него внешних факторов. На графике отмечено, что максимальное значение трения покоя превышает силу трения скольжения, однако обычно их считают одинаковыми.

Сила трения покоя – определение и формула

Данное явление возникает между неподвижными, обязательно соприкасающимися объектами, препятствуя их относительному смещению.

Примерами этой силы может послужить взаимодействие гвоздя и стены, в которую он забит, или концы завязанного шнурка. Благодаря покою (сцеплению), действующему на подошву обуви, люди ходят по дороге без проскальзывания, а машины не буксуют на сухом асфальте.

Для того чтобы сдвинуть друг относительно друга два предмета, нужно преодолеть силу трения покоя, которую находят по формуле:

где N – реакция опоры, k – коэффициент трения покоя.

В 1779 французским физиком Кулоном была установлена зависимость, согласно которой, чем сильнее прижаты тела, тем сложнее преодолеть их сцепление.

ВАЖНО: материал и обработка соприкасающихся поверхностей также влияют на возможность возникновения относительного движения.

Сила трения качения – определение и формула

Данное явление возникает, когда контактирующие тела перекатывают относительно друг друга или в случае качения одного предмета, называемого катком, по поверхности второго.

ВНИМАНИЕ: величина рассматриваемой силы в несколько раз меньше скольжения, поэтому, например, тяжелые предметы проще переставить на поверхность с колёсами и только после этого передвигать.

Обычно для приблизительного расчёта силы трения качения применяют следующую формулу:

где k – коэффициент трения качения, r – радиус катка.

СПРАВКА: величина k, в отличие от других коэффициентов в данной теме, имеет размерность длины.

Каковы причины возникновения силы трения (качения и скольжения)

Главная причина возникновения явлений, препятствующих перемещению тел, заключается в неоднородности и шероховатости контактирующих поверхностей. При движении объектов эти дефекты соприкасаются, что и приводит к эффекту торможения.

Читайте также:  Тамир инструкция по применению

Помимо этого, причиной трения является существование взаимодействия между молекулами и атомами двух граничащих тел, которое вызывает взаимное притяжение.

Что касается процессов, снижающих скорость качения, то их появление также обуславливается природными деформациями поверхностей. Говоря простым языком, при движении катку требуется постоянно взбираться на небольшие горки, что приводит к замедлению.

Модуль силы трения, формула

Модуль любой величины – это всегда положительное число, следовательно модуль силы трения равен:

где μ – коэффициент трения, N – реакция опоры или области контакта.

СПРАВКА: обычно рассчитывают модуль максимального воздействия, которое и показывает динамометр.

Может ли сила трения быть движущей силой

Несмотря на то что указанное явление обычно препятствует движению, в некоторых случаях силу трения можно считать движущей. Например, при рассмотрении пробуксовывающего колеса транспортного средства его скорость в точке касания к поверхности больше нуля. Поэтому сила трения, согласно своему свойству, будет действовать в направлении, обратном мгновенной скорости, что совпадёт с направлением скорости всего колеса. Следовательно, сила трения может являться движущей силой.

Задачи на силу трения

  1. Для брусков, изображенных на рисунке, найти ускорения, учитывая, что нить, соединяющая их, нерастяжима.

  1. Выяснить, сдвинется ли ящик, если прикладывать к нему указанное воздействие.

Примеры силы трения в природе

Изучаемое явление имеет огромное влияние на жизнедеятельность людей и животных. Благодаря силе трения человек может ходить, удерживать в руках предметы, а звери зацепляться за ветки деревьев. Именно существование сцепления держит огромные валуны на скалах и не позволяет им упасть, а растения тянутся к солнечному свету, скрепляясь с близстоящей опорой.

Кроме этого, и животные, и люди умеют избавляться от негативного воздействия торможения. Например, тела рыб покрыты слизью, чтобы уменьшить эффект трения о воду, а человек, особенно в технике, зачастую применяет различные смазывающие материалы.

Чтобы понять понятие силы трения, удобно проанализировать каждый из терминов, составляющих выражение.

В области физики это называется силой (слово от латинского fortia) к причине, которая может изменить форму или состояние движения или покоя тела. Эта концепция также используется для обозначения способности оказывать сопротивление или переносить вес.

Roce, с другой стороны, является действием и следствием растирания или растирания: удаления поверхностного куска чего-либо, легкого или мягкого прикосновения к предмету.

Все эти идеи могут помочь нам понять, что такое силы трения . Поэтому они называются теми силами, которые генерируются между телами, которые находятся в контакте . Эти силы создают сопротивление движению одного объекта по отношению к другому.

Поверхность тела никогда не бывает абсолютно гладкой: во всех случаях она имеет определенные неровные края . Следовательно, если одно тело соприкасается с другим, шероховатость обоих подходит, создавая сопротивление возможному движению.

Это означает, что, если мы хотим перетащить объект, который находится на земле, нам придется приложить усилия, чтобы заставить этот объект выйти из своего состояния покоя, поскольку будет статическая сила трения, которая будет противодействовать смещению.

Короче говоря, эффективная сила, которая позволит перемещать объектив, будет равна сумме приложенной силы и силы трения (эквивалентной той, которая необходима для преодоления сопротивления, которое в противоположном направлении оказывает статическую силу трения).

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector