Сила трения

Механические силы

Все многообразие сил в природе сводится к четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационное, электромагнитное, ядерное сильное и ядерное слабое. Ядерные сильное и слабое взаимодействия проявляются только на уровне ядерных взаимодействий и в реальной жизни мы их никак не воспринимаем. Поэтому все разнообразие реальных сил является разновидностью гравитационных и электромагнитных сил.

В механике рассматривается три типа сил: сила трения, сила упругости и сила всемирного тяготения. Причем сила трения и сила упругости по природе своей являются силами электромагнитной природы. Самой распространенной силой, которая действует на все тела, находящиеся в поле тяжести Земли, является сила тяжести. Она равна произведению массы тела на ускорение свободного падения mg и направлена вертикально вниз или более точно к центру Земли. Сила тяжести является разновидностью гравитационной силы. Если тело находится на какой-то поверхности, то под действием силы тяжести оно давит на эту поверхность. По третьему закону Ньютона поверхность действует на тело с силой равной по модулю и противоположной по направлению. Эта сила называется силой реакции опоры (N) и является разновидностью силы упругости.

Далее рассмотрим более подробно механические силы по отдельности.

Сила трения является одной из самых распространенных механических сил. Она возникает каждый раз когда тело начинает двигаться или когда его пытаются сдвинуть с места. Существует четыре вида сил трения:

· сила трения покоя;

· сила трения скольжения;

· сила трения качения;

· сила вязкого трения (сила сопротивления).

Сила трения качения и сила вязкого трения в школьном курсе физики почти не рассматриваются. Сила трения качения обычно невелика и ей обычно пренебрегают по сравнению с остальными видами силы трения. Сила вязкого трения не рассматривается потому, что о ней в школьном курсе физики ничего существенного сказать нельзя в связи со сложностью используемого для этого математического аппарата.

Сила трения покоя.

Сила трения покоя возникает между соприкасающимися телами каждый раз, когда одно тело пытаются сдвинуть относительно другого, а оно не движется. Сила трения покоя направлена параллельно поверхности соприкосновения тел в сторону противоположную направлению внешней сдвигающей силы и по модулю равна проекции внешней сдвигающей силы на плоскость соприкосновения тел. Сила трения покоя возрастает с возрастанием внешней силы. Но если внешняя сила может возрастать неограниченно, то, как показывает практика, у силы трения покоя есть максимальное значение. Это максимальное значение определяется силой, с которой соприкасающиеся поверхности прижимаются друг к другу (силой нормального давления). Практика показывает, что максимальное значение силы трения покоя прямо пропорционально силе нормального давления. Коэффициент пропорциональности носит название коэффициента трения покоя:

Коэффициент трения покоя определяется материалом, из которого сделаны соприкасающиеся поверхности и степенью их обработки и не зависит от площади соприкосновения.

В общем случае для величины силы трения покоя справедливо неравенство:

Сила трения скольжения.

Если величина внешней сдвигающей силы превышает максимальное значение силы трения покоя, то начинается скольжения. Сила трения покоя при этом исчезает и появляется сила трения скольжения. В отличие от силы трения покоя сила трения скольжения постоянна и ее величина тоже пропорциональна силе нормального давления. Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом трения скольжения:

Сила трения скольжения направлена также параллельно поверхности соприкосновения тел и в сторону противоположную скорости относительного движения соприкасающихся поверхностей. Коэффициент трения скольжения также определяется материалом и степенью обработки соприкасающихся поверхностей и не зависит от площади соприкосновения.

Максимальное значение силы трения покоя всегда несколько больше силы трения скольжения. На рисунке приведен примерный характерный график зависимости силы трения от внешней сдвигающей силы.

Однако разница между максимальной силой трения покоя и силой трения скольжения невелика. Поэтому в практике решения задач в школьном курсе физики этой разницей обычно пренебрегают и считают, что эти силы равны. При этом считается, что коэффициенты трения покоя и скольжения равны и они называются просто коэффициентом трения. А значит:

Сила трения качения

Силой трения качения называется сила препятствующая движению при качении какого-либо круглого тела по плоской поверхности другого тела (например, колеса по дороге). Наличие силы трения качения связано с тем, что и само катящееся тело и поверхность под ним слегка деформируются под действием силы давления. Возникающая при этом сила сопротивления движению также пропорциональна силе нормального давления. Однако, если колесо и поверхность достаточно твердые и их деформации невелики, то возникающая при этом сила трения качения, как правило, очень мала по сравнению с другими видами сил трения и ей обычно при решении задач пренебрегают.

Сила вязкого трения

Сила вязкого трения возникает при движении тела в какой-либо вязкой среде (в жидкости или газе) или при скольжении поверхностей при наличии между ними прослойки из вязкой жидкости (смазки). Сила вязкого трения при движении тела в жидкости и газа (сила сопротивления) сильно зависит от скорости движения и при больших скоростях может быть весьма большой. Кроме того, сила сопротивления сильно зависит от формы движущегося тела (обтекаемая или необтекаемая форма) и его размеров. Причем, зависимость силы сопротивления от скорости довольно сложная. При малых скоростях движения (ламинарное обтекание) сила сопротивления примерно пропорциональна величине скорости в первой степени. При увеличении скорости зависимость силы сопротивления от скорости усиливается и может быть пропорциональна величине скорости в квадрате или в более высокой степени. Это приводит к тому, что в школьном курсе физики сила сопротивления в явном виде обычно не учитывается, а если и учитывается, то в задаче указывается как ее учесть.