Электромагнитная природа сил трения.

1 23

При движении одного тела относительно другого многочисленные неровности на их поверхностях цепляются друг за друга, деформируют друг друга и мешают скольжению (рис. 3.4.2). Таким образом, сила трения аналогична силе упругости, возникающей при деформации сдвига, и вызывается взаимодействием молекул. При шлифовке поверхностей сила трения уменьшается, но до определенного предела. При дальнейшем увеличении гладкости поверхностей сила трения начинает расти. Связано это с тем, что молекулы обоих тел сближаются настолько, что короткодействующие силы притяжения молекул одного тела начинают действовать на молекулы другого тела.

Различают сухое и вязкое трение.

Сухое трение.

Сухим трением называется взаимодействие между поверхностями двух соприкасающихся твердых тел.

Если эти тела неподвижны друг относительно друга, то говорят о трении покоя; при относительном перемещении тел говорят о трении скольжения. В случае, когда одно из тел катится по поверхности другого без проскальзывания, возникает трение качения.

Рис. 3.4.3. Рис. 3.4.4.

Рассмотрим твердое тело, лежащее на горизонтальной поверхности (рис. 3.4.3). Приложим к этому телу горизонтальную силу F, модуль которой увеличивается от 0 до бесконечности. В этом случае зависимость силы трения от внешней силы F_тр(F) имеет вид, изображенный на рис. 3.4.4. Тело остается неподвижным, пока

, (3.4.3)

где m_пок – коэффициент трения покоя, при этом сила трения – это сила трения покоя, которая равна внешней силе: . (3.4.4)

Как только , тело начинает скользить, при этом сила трения скольжения равна

, (3.4.5)

где m_ск – коэффициент трения скольжения, N – сила нормальной реакции.

Возможно, вы замечали, что зачастую легче поддерживать состояние движения тяжелого тела, чем впервые сдвинуть его с места. Поэтому, . При решении задач обычно это обстоятельство игнорируют и считают, что . Коэффициент m называют просто коэффициентом трения. Коэффициент трения скольжения – табличная величина, которая зависит не только вида скользящих поверхностей, но и от того какие это поверхности – сухие или мокрые, насколько они зачищены и отполированы. Вместе с тем, сила трения и, соответственно, коэффициент трения не зависит от площади поверхности соприкосновения. Зависимость силы сухого трения от относительной скорости настолько слабая, что, обычно, ее не учитывают.

В случае силы трения качения справедливы аналогичные закономерности, только всегда при прочих равных условиях сила трения качения гораздо меньше силы трения скольжения: .

Значение силы трения. Отрицательная роль силы трения состоит в том, что она приводит к нагреванию и более быстрому изнашиванию движущихся деталей различных машин и механизмов при взаимном контакте этих деталей. Для ослабления этих эффектов поверхности деталей необходимо тщательно полировать, а также применять смазку для уменьшения трения. Вместе с тем, без сил трения было бы невозможно движение вообще.

Рассмотрим положительную роль трения на примере движения без проскальзывания ведущего колеса автомобиля (рис. 3.4.5). В этом случае скорость точки A соприкосновения колеса с дорогой равна нулю: v_A = 0, поэтому со стороны колеса на дорогу действует сила трения покоя F_п. Тогда, по третьему закону Ньютона, со стороны дороги к участку шины колеса приложена сила трения F_тр, которая и будет силой, разгоняющей автомобиль. Таким образом, для увеличения этой силы необходимо, чтобы коэффициент трения шин о дорогу был как можно больше.

Вязкое трение.

Вязким трением (силой сопротивления) называется взаимодействие, возникающее между слоями жидкости или газа, движущимися друг относительно друга, а также взаимодействие между твердым телом и вязкой (жидкой или газообразной) средой.

Ограничимся рассмотрением силы трения, возникающей при взаимодействии твердого тела и вязкой среды. В отличие от сухого вязкое трение характерно тем, что сила вязкого трения обращается в нуль одновременно со скоростью. Зависимость силы вязкого трения от скорости показана на рис. 3.4.6. При небольших скоростях модуль силы сопротивления прямо пропорционален скорости:

, (3.4.6)

а при больших скоростях сила растет пропорционально квадрату скорости:

. (3.4.6)

Коэффициенты пропорциональности в этих формулах k₁ и k₂ зависят от формы и размеров твердого тела, состояния его поверхности и от свойства среды, называемого вязкостью. Например, для глицерина эти коэффициенты гораздо больше, чем для воды.