Перечислите возможные виды 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.

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.

Виды трения и формулы для расчета их сил. Примеры

Любой контакт между двумя телами приводит к появлению силы трения. При этом не важно, в каком агрегатном состоянии вещества находятся тела, движутся они относительно друг друга или покоятся. В данной статье кратко рассмотрим, какие виды трения существуют в природе и технике.

Физика. Трение в природе и технике

Трение – это сила, которая противостоит движению объекта. Чтобы остановить движущийся объект, сила должна действовать в направлении, противоположном направлению движения. Например, если толкнуть мяч, лежащий на полу, он будет двигаться. Сила толчка перемещает его на другое место. Постепенно мяч замедляется и перестает двигаться. Сила, которая противостоит движению объекта, называется трением. В природе и в технике существует огромное количество примеров применения этой силы.

Виды сил трения: сравнительная характеристика и примеры

Сила трения представляет собой некую физическую величину, которая препятствует любому движению тела. Она возникает, как правило, при движении тел в твердом, жидком и газообразном веществе. Различные виды сил трения играют важную роль в жизни человека, поскольку они препятствуют чрезмерному увеличению скорости движения тел.

Трение в механизмах. Законы, виды 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.

Трение покоя

Для многих может быть странной мысль, что трение тел существует даже тогда, когда они находятся в состоянии покоя относительно друг друга. Кроме того, эта сила трения является самой большой по величине силой среди остальных видов. Проявляется она тогда, когда мы пытаемся сдвинуть с места какой-либо предмет. Это может быть деревянный брусок, камень и даже колесо.

Причиной существования силы трения покоя является наличие неровностей на соприкасающихся поверхностях, которые механически взаимодействуют друг с другом по принципу пик-впадина.

Вычисляется сила трения покоя по следующей формуле:

Здесь N – реакция опоры, с которой на тело воздействует поверхность вдоль нормали. Параметр µt является коэффициентом трения. Он зависит от материала соприкасающихся поверхностей, качества обработки этих поверхностей, их температуры и от некоторых других факторов.

Записанная формула свидетельствует, что от площади контакта сила трения покоя не зависит. Выражение для Ft1 позволяет рассчитать так называемую максимальную силу. В ряде же практических случаев Ft1 не является максимальной. Она всегда равна по величине внешней силе, которая стремится вывести из состояния покоя тело.

Сила трения покоя

Трение покоя играет важную роль в жизни. Благодаря этому мы можем двигаться по земле, отталкиваясь от нее подошвами ног, не проскальзывая. Любые тела, которые находятся на наклонных к горизонту плоскостях, не соскальзывают с них благодаря силе Ft1.

Какие виды трения между твердыми телами бывают

Проявление трения скольжения

В данной статье рассмотрим только примеры сил трения, которые действуют между твердыми объектами, имеющими физический контакт друг с другом.

Одним из важных видов трения является трение покоя. Исходя из самого названия, можно предположить, что оно проявляется, когда одно тело на поверхности другого покоится. Каждый знает, чтобы с места сдвинуть какой-нибудь тяжелый предмет, необходимо приложить некоторую внешнюю силу, направленную вдоль поверхности контакта этого предмета и поверхности, на которой он стоит. Противодействие этой силе оказывает сила трения покоя. Действует она между поверхностями соприкосновения тел. Трение покоя возникает из-за наличия шероховатости на касающихся поверхностях, какими бы гладкими они ни являлись.

Второй вид трения, который мы рассмотрим, это трение скольжения. Возникает оно также по причине упомянутой шероховатости, когда тела начинают движение относительно друг друга с помощью скольжения. Направление и точка приложения силы трения скольжения являются точно такими же, как для трения покоя. Единственным отличием между этими силами является то, что сила скольжения всегда меньше, чем сила покоя.

Третьим видом трения, который играет не меньшую роль в технике, чем первые два, является трение качения. Как говорит его название, появляется оно, когда одно тело катится по поверхности другого. Причина трения качения заключается в гистерезисе деформации, который приводит к “распылению” кинетической энергии катящегося тела. В ряде практических случаев эта сила трения в 10-100 и более раз меньше, чем предыдущие рассмотренные виды трения.

Все виды сил трения прямо пропорциональны силе реакции опоры, с которой последняя действует на рассматриваемое тело.

Кинетическое трение

Когда вы толкнули книгу на столе и она переместилась на определенное расстояние, то она испытала трение, воздействующее на движущиеся объекты. Эта сила известна как сила кинетического трения. Она воздействует на одну поверхность другой, когда две поверхности натирают друг друга, потому что движутся одна или обе поверхности. Если вы положите дополнительные книги поверх первой книги, чтобы увеличить нормальную силу, сила кинетического трения будет увеличиваться.

Существует следующая формула: Fтрения= μFn. Сила кинетического трения равна произведению коэффициента кинетического трения и нормальной силы. Существует линейная зависимость между этими двумя силами. Коэффициент кинетического трения связывает силу трения с нормальной силой. Раз это сила, единицей для ее измерения является Ньютон.

Трение скольжения и его польза

В отличие от трения покоя, которое в основном играет положительную роль в жизнедеятельности человека, трение скольжения, как правило, является вредной силой. Тем не менее, можно привести два примера полезной силы трения скольжения:

  • Поскольку трение скольжения приводит к разогреванию поверхности предметов (естественный и самый простой способ перевода механической энергии в тепловую), то этот эффект можно использовать для увеличения температуры тел. Так, в древности наши предки с помощью трения скольжения добывали огонь.
  • Когда водитель хочет остановить транспортное средство, то он нажимает на педаль тормоза. При этом тормозные диски скользят внутри обода колеса и тормозят его вращение.

Проскальзывание колес автомобиля

Законы

Обобщая экспериментальный материал о закономерностях движения, установили следующие основные законы, касающиеся трения:

  1. Сопротивление движению скольжения между двумя телами пропорционально нормальной силе, действующей между ними.
  2. Сопротивление движению между трущимися телами не зависит от площади контакта между ними.

Для демонстрации второго закона можно привести такой пример: если взять блок и перемещать его методом скольжения по поверхности, то необходимая сила для такого перемещения будет одинакова, и когда блок лежит на поверхности своей длинной стороной, и когда он стоит торцом.

Действие силы трения

Законы, касающиеся различных видов сил трения в физике, были открыты в конце XV века Леонардом да Винчи. Затем о них забыли на долгое время, и лишь в 1699 году их заново открыл французский инженер Амонтон. С тех пор законы трения носят его имя.

Что мы узнали?

Трение — это физическое явление, которое может быть как необходимым, так и вредным. Благодаря трению в природе и технике совершается большинство произвольных движений, благодаря ему существуют разъёмные соединения. Если трение надо уменьшить, применяются подшипники, а сухое трение скольжения заменяется жидким трением и трением качения.

Почему в покое сила трения больше таковой при скольжении?

При рассмотрении нескольких видов сил трения (покоя и скольжения) следует отметить, что статическая сила трения всегда меньше или равна произведению коэффициента трения покоя на силу реакции опоры. Коэффициент трения определяется экспериментальным путем для этих трущихся материалов и заносится в соответствующие таблицы.

Динамическая сила вычисляется точно так же, как и статическая. Только в этом случае используют коэффициент трения именно для скольжения. Трения коэффициент обычно обозначается греческой буквой μ (мю). Таким образом, общая формула для обеих сил трения имеет вид: Fтр = μ * N, где N – сила реакции опоры.

Статическая и кинетическая сила

Точно не установлена природа различия между этими видами сил трения. Однако большинство ученых полагают, что сила трения покоя больше таковой для скольжения, потому что когда тела находятся некоторое время в покое относительно друг друга, между их поверхностями могут образоваться ионные связи или микросплавления отдельных точек поверхностей. Эти факторы и вызывают увеличение статического показателя.

Примером нескольких видов силы трения и их проявления является поршень в цилиндре двигателя автомобиля, который “припаивается” к цилиндру, если двигатель долго не работает.

Трение в жидкостях и газах

Трение в жидкостях

Когда твердое тело движется в газообразной или жидкой среде, то оно постоянно сталкивается с частицами этой среды. Эти столкновения, сопровождаемые потерей скорости твердого тела, являются причиной трения в текучих субстанциях.

Этот вид трения сильно зависит от скорости. Так, при относительно небольших скоростях, сила трения оказывается прямо пропорциональной скорости движения v, при больших же скоростях речь идет о пропорциональности v 2 .

Примеров проявления этого трения можно привести массу, начиная от движения лодок и кораблей и заканчивая полетом самолетов.

Трение качения и его вред и польза

Современные подшипники

Если рассмотреть в корне вопрос пользы силы трения качения, то окажется, что ее нет вовсе. Действительно, трение качения всегда препятствует механическому вращению, оно приводит к износу рабочих деталей и к их нежелательному нагреву. Тем не менее явление качения широко используется в технике (подшипники, колеса транспортных средств). Объясняется это тем, что сила трения качения намного меньше аналогичной силы скольжения, что на порядки снижает масштаб ее вредного влияния.

Скользящее по горизонтали тело

Получим уравнение движения для тела, которое под действием внешней силы Fв начинает перемещаться по поверхности путем скольжения. В данном случае воздействуют следующие силы на тело:

  • Fв – внешняя сила;
  • Fтр – трения сила, которая противоположна по направлению силе Fв;
  • N – сила реакции опоры, которая равна по модулю весу тела P и направлена к поверхности, то есть под прямым углом к ней.

Скольжение бруска

Учитывая направления всех сил, запишем второй закон Ньютона для этого случая движения: Fв – Fтр = m * a, где m – масса тела, a – ускорение движения. Зная, что Fтр = μ * N, N = P = m * g, где g – ускорение свободного падения, получим: Fв – μ * m * g = m * a. Откуда, выражая ускорение, с которым движется скользящее тело, получаем: a = Fв / m – μ * g.

Движение твердого тела в жидкости

При рассмотрении вопроса о том, какие виды силы трения существуют, следует упомянуть важное явление в физике, которое заключается в описании того, как в жидкости движется твердое тело. В данном случае речь идет об аэродинамическом трении, которое определяется в зависимости от скорости движения тела в жидкости. Существует два вида движения:

  • Когда твердое тело движется с небольшой скоростью, говорят о ламинарном движения. Сила трения при ламинарном движении оказывается пропорциональной скорости. Примером является закон Стокса для сферических тел.
  • Когда движение тела в жидкости происходит с большей скоростью, чем некоторое пороговое значение, то вокруг тела начинают появляться завихрения из потоков жидкости. Эти завихрения создают дополнительную силу, препятствующую движению, и в итоге сила трения оказывается пропорциональной квадрату скорости.

Закон Стокса

Природа силы трения качения

Когда говорят о видах сил трения, принято силу трения качения называть третьим видом. Она проявляет себя, когда тело катится по некоторой поверхности и происходит деформация этого тела и самой поверхности. То есть в случае абсолютно недеформируемых тела и поверхности, нет никакого смысла говорить о силе трения качения. Рассмотрим подробнее.

Понятие коэффициента трения качения аналогично таковому для скольжения. Поскольку при качении не существует проскальзывания между поверхностями тел, то коэффициент трения качения оказывается намного меньше, чем для скольжения.

Главным фактором, который влияет на коэффициент, является гистерезис механической энергии для вида силы трения качения. В частности, колесо в зависимости от материала, из которого оно изготовлено, а также от нагрузки, которую оно несет, в процессе движения упруго деформируется. Повторяющиеся циклы упругой деформации приводят к переходу части механической энергии в тепловую. Кроме того, из-за повреждений контакт колеса и поверхности уже обладает некоторой конечной площадью соприкосновения.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Максим Коновалов
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий