Силы трения и инерции

Движущееся тело всегда встречает на своем пути две тормозящие причины: трение и сопротивление среды. Следовательно, если какая-либо сила заставляет тело двигаться, то она должна преодолевать эти две тормозящие причины. О сопротивлении среды (воздуха, воды) речь будет подробно идти в следующей главе, здесь же мы остановимся лишь на трении и силах трения.

Силы трения развиваются в том случае, когда при движении одна поверхность скользит по другой. Дело в том, что даже хорошо отшлифованные поверхности имеют мельчайшие неровности, которые (цепляясь одна за другую) и тормозят движение. Трение, развивающееся при скольжении одной поверхности по другой (полозьев по снегу, поршня по стенкам цилиндра и т. д.), называется трением скольжения, или трением 1-го рода.

Из опыта найдено, что сила трения ƒ = kG, где: G — вес скользящего тела; k — так называемый коэффициент трения, зависящий от материалов, из которых сделаны трущиеся поверхности, и от их обработки. Коэффициент трения обычно меньше единицы, и, следовательно, сила трения меньше веса тела. Для уменьшения коэффициента трения применяются шлифовка трущихся поверхностей и смазка.

Кроме трения скольжения, различают еще трение качения, или трение 2-го рода, которое возникает в тех случаях, когда, одно твердое тело катится по другому (например колесо по земле или по рельсу). Силы трения, возникающие при качении, значительно меньше, чем при скольжении, вследствие чего там, где возможно, стараются трение скольжения заменить трением качения (поэтому, например, в последнее время широчайшее распространение получили шарикоподшипники).

Сила трении и сила сопротивления среды всегда направлены в сторону, обратную движению тела. Если бы этих тормозящих сил не было, то тело, раз приведенное в движение, продолжало бы двигаться по инерции без конца (прямолинейно и равномерно).

Силы инерции. Когда мы рассматривали первый закон Ньютона (закон инерции), мы не останавливались на следующем важном явлении. Допустим, что мы имеем шар, лежащий на гладкой горизонтальной поверхности. Толкнем шар рукой, т. е. сообщим ему некоторое положительное ускорение.

Мы заметим, что шар, стремясь вследствие инерции сохранить свое состояние (состояние покоя), окажет давление на нашу руку— в сторону, обратную ее движению. Это давление принято называть силой инерции.

Если шар движется и мы задержим его рукой, т. е. сообщим ему некоторое отрицательное ускорение, то шар, стремясь вследствие инерции сохранить свое состояние (состояние движения), опять окажет давление на нашу руку в сторону, обратную ее движению. Это давление будет тоже силой инерции.

Силы инерции (говорят еще: инерционные силы) мы наблюдаем очень часто. Так, силами инерции являются: сила, с которой пассажиры трамвая, стоящие в проходе, наваливаются на заднюю дверь, когда вагон резко трогается с места; сила, с которой пассажиры наваливаются на переднюю дверь, когда вагон резко останавливается; сила, с которой тело летчика прижимается к сидению при выполнении виража, петли, штопора и других фигур; сила, с которой тело летчика отрывается от сидения (натягивает ремни) при резком переходе из горизонтального полета в пике и при выполнении фигур в перевернутом полете; сила, с которой пуля ударяет в цель; сила, с которой молоток ударяет в гвоздь, и т. д.

Силу инерции легко обнаружить при следующем простом опыте. Предположим, что нитка выдерживает вес гири, если мы осторожно поднимаем ее. Но если мы резко поднимем гирю или, быстро опуская ее, резко задержим ее движение, то нитка оборвется. Нитка оборвется по той причине, что в том и другом случае к силе веса прибавится сила инерции (мы ощутим ее как увеличение веса гири).

Силу инерции можно измерить, как и всякую другую силу. Прикрепим гирю, скажем, в 1 кг к пружинным весам (безмену). Если, взяв безмен за кольцо, осторожно поднять его, то увидим, что стрелка после маленьких колебаний остановится на делении, показывающем вес 1 кг.

Если же поднять безмен резко, то мы увидим, что в тот момент, когда мы сообщим гире наибольшее ускорение, стрелка опустится на несколько делений ниже и покажет вес в несколько килограммов. Допустим, что стрелка покажет вес в 5 кг. Это будет означать, что сила инерции достигла 4 кг; эта сила, складываясь с силой веса в 1 кг, и дала суммарную силу в 5 кг.

Из наших опытов нетрудно заключить, что сила инерции будет тем больше, чем больше масса гири и чем больше сообщаемое ей ускорение. Иными словами, сила инерции прямо пропорциональна массе тела и ускорению (т. е. равна произведению массы на ускорение).

Мы видим, что эта формулировка ничем не отличается от формулировки, полученной нами ранее для любой силы на основании второго закона Ньютона.

Итак, сила инерции численно равна действующей силе, но направлена в противоположную сторону.