Силы трения покоя и скольжения. Коэффициент трения скольжения

Силы, мешающие движению, знакомы человеку с глубокой древ­ности. Каждому известно, как трудно передвигать тяжелые пред­меты. Это связано с тем, что поверхность твердого тела не является идеально гладкой и содержит множество зазубрин (они имеют различные размеры, которые уменьшаются при шлифовке). При соприкосновении поверхностей двух тел происходит сцепление зазубрин. Пусть к одному из тел приложена небольшая сила (F), направленная по касательной к соприкасающимся поверхностям. Под действием этой силы зазубрины будут деформироваться (изги­баться). Поэтому появится сила упругости, направленная вдоль соприкасающихся поверхностей. Сила упругости, действующая на тело, к которому приложена сила F, компенсирует ее и тело ос­танется в покое.

Сила трения покоя — сила, возникающая на границе сопри­касающихся тел при отсутствии их относительного движения.

Сила трения покоя направлена по касательной к поверхности соприкосновения тел (рис. 6.3) в сторону, противоположную си­ле F, и равна ей по величине: F = -F.

Г тр

При увеличении модуля силы F изгиб зацепившихся зазубрин будет возрастать и, в конце концов, они начнут ломаться. Тело при­дет в движение.

Сила трения скольжения — сила, возникающая на границе соприкасающихся тел при их относительном движении.

Вектор силы трения скольжения направлен противоположно вектору скорости движения тела относительно поверхности, по ко­торой оно скользит.

Тело, скользящее по твердой поверхности, прижимается к ней какой-либо внешней силой Р (например, силой тяжести), направ­ленной по нормали. В результате этого поверхность прогибает­ся и появляется сила упругости N (сила нормального давления или реакция опоры), которая компенсирует прижимающую силу P(N = -Р). Чем больше сила N, тем глубже сцепление зазубрин и тем-труднее их сломать. Опыт показывает, что модуль силы тре­ния скольжения пропорционален силе нормального давления:

Безразмерный коэффициент [I называется коэффициентом трения скольжения. Он зависит от материалов соприкасающих­ся поверхностей и степени их шлифовки. Например, при передви­жении на лыжах коэффициент трения скольжения зависит от качества смазки (сорт мази, толщина слоя мази, качество разрав­нивания слоя), поверхности лыжни (мягкая, сыпучая, уплотнен­ная, оледенелая, той или иной степени влажности и с тем или иным строением снега в зависимости от температуры и влажности воз­духа и др). Большое количество переменных факторов делает сам коэффициент непостоянным. Если коэффициент трения лежит в пределах 0,045—0,055 скольжение считается хорошим.

Можно считать, что максимальное значение силы трения по­коя равно силе трения, действующей при скольжении:

В табл. 6.1 приведены значения коэффициента трения сколь­жения для различных соприкасающихся тел.

Таблица 6.1

Сила трения качения

Этот вид трения проявляется при качении и связан не с дефор­мацией зазубрин, а с деформацией дороги (прогиб) и самого коле­са (небольшое сплющивание), рис. 6.5.

При качении по мягкому покрытию колесо вдавливается в опо­ру, образуя ямку, через край которой ему все время приходится перекатываться, рис. 6.5, а. Французский физик Ш. Кулон на ос­нове опытов нашел, что сила трения качения (F_Ka4) пропорциональ­на силе нормального давления N и обратно пропорциональна ра­диусу г колеса:

Из формулы видно, что коэффициент трения качения зависит от радиуса колеса и выражается в единицах длины (м или см). Значения коэффициента трения качения для некоторых веществ приведены в табл. 6.2.

При движении по твердому покрытию сила трения качения свя­зана с деформацией самого колеса. С этой силой особенно прихо­дится считаться в вело- и мотоспорте. Ее величина определяется по формуле:

где N — сила нормального давления; Ь — расстояние между тео­ретической точкой опоры шины и фактической первой точкой встречи шины с поверхностью, по которой проходит перемещение, рис. 6.5, б.

Сила трения качения много меньше силы трения скольжения, поэтому колесо широко используется в различных видах транс­порта.