Сила трения: что это такое и как измерить
. Формула и примеры из жизни
Сила — мера механического взаимодействия тел, которое вызывает их ускорение или деформацию [1]. Сила трения сопровождает любое движение, замедляя его или не давая ему возникнуть. Благодаря ей машины могут тормозить и поворачивать, а люди — ходить по асфальту не скользя. РБК Life выяснил, что такое сила трения, зачем она нужна и от чего зависит.
Что такое сила трения
Сила трения — это физическая величина, которая возникает при соприкосновении одного тела с другим либо с жидкой или газообразной средой [2]. Как и любая сила, она измеряется в Ньютонах (Н).
Сила трения возникает из-за притяжения молекул и шероховатости поверхности тел — последняя не позволяет бесконечно скользить соприкоснувшимся предметам и помогает тормозить их. Например, идти по льду сложно и легко упасть, потому что сцепление с ним гораздо слабее, чем с асфальтом. В первом случае сила трения будет меньше, чем во втором.
Виды силы трения
Различают сухое и вязкое (жидкое) трение. Сила вязкого трения возникает при движении твердого тела в жидкости или газе. Например, когда ветер дует в противоположном направлении и мешает самолету развивать скорость. Силы вязкого трения покоя не существует — хватит минимальных усилий, чтобы сдвинуть предмет: лодку или даже баржу в воде [3], [4].
Сила сухого трения возникает при соприкосновении двух твердых тел, когда между ними нет жидкой или газообразной прослойки [5]. Его разделяют на трение покоя, скольжения и качения.
Трение покоя
Сила трения покоя — сила, которая появляется между двумя неподвижными объектами и препятствует возникновению движения. Например, трение покоя или статическое трение возникает, когда к шкафу прикладывается сила, но он не движется. Дело в том, что поверхности соприкасающихся предметов шероховаты и усеяны бугорками, которые можно увидеть через микроскоп. Ими шкаф и пол «сцепляются», что препятствует движению. Благодаря таким деформациям шероховатостей и притяжению молекул возникает сила трения покоя [6], [7]. Она будет увеличиваться пропорционально приложенным усилиям и равняться силе тяги. Соответственно, формула выглядит так: Fтр = Fтяги.
Примеры силы трения покоя можно найти в комнате — она возникает между полом и предметами, которые на нем стоят: диваном, ковром, стульями
Трение скольжения
Сила трения скольжения — это сила, которая возникает между двумя телами, движущимися относительно друг друга. Например, между санками и снежной горкой, по которой они съезжают. Направление силы трения противоположно скорости движения предмета относительно поверхности, поэтому скорость меняется вместе с силой трения. Также если скользящий предмет сильнее прижать к поверхности, то оба тела деформируются, и из-за этого площадь соприкосновения и сила трения увеличатся пропорционально прижимающей силе.
Трение скольжения возникает при катании на санках
Трение качения
Сила трения качения — это сила сопротивления движению при перекатывании одного тела по поверхности другого. Она возникает из-за деформации обоих объектов и может быть меньше, чем сила трения скольжения при той же силе давления на поверхность. Трение качения возникает при перекатывании мяча по футбольному полю или колес автомобиля по асфальту.
Сила трения качения возникает и при езде на велосипеде
Формула силы трения скольжения
Для силы трения скольжения действует закон Амонтона-Кулона, согласно которому сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормального давления, с которой одно тело действует на другое. Закон выражается формулой Fтр = μ × N, где Fтр — сила трения, μ — коэффициент силы трения, N — сила нормального давления.
Формула силы трения скольжения
Чем больше сила, которая «прижимает» объект к поверхности, тем больше сила трения скольжения. Перпендикулярно поверхности действует сила нормального давления, которая обозначается буквой N. Если объект движется по горизонтальной поверхности, N равно его весу, а если на объект погрузили другие предметы, их вес тоже учитывается. Так получается, что сила трения прямо пропорциональна силе нормального давления. Сила нормального давления равна весу тела. Соответственно, N = m × g, где m — масса тела, а g — ускорение свободного падения (около 9,81 м/с²).
Например, у вашей бабушки на даче стоит огромный шкаф, высотой под потолок, и вам нужно его передвинуть на другой конец комнаты. Уверена, что одному человеку это вряд ли будет под силу. Вы зовете своих друзей, чтобы они помогли. Приходят двое, трое… Когда присоединяется четвертый человек, шкаф начинает скользить по полу. А можно было заранее примерно рассчитать, сколько человек потребуется, чтобы сдвинуть шкаф? Давайте посмотрим.
Сначала наша сила (F) равна силе трения (Fтр). Потом с ростом числа людей наша общая сила росла и сила трения перестала ее компенсировать — значит, Fтр не может увеличиваться бесконечно, в отличие от F.
Действительно, для силы трения покоя есть неравенство Fтр < μ × N, где N — сила взаимодействия шкафа с полом, μ — коэффициент трения, зависящий от материала соприкасающихся тел. Значит, шкаф начнет движение, когда Fтр = μ × N. Если шкаф и пол сделаны из дерева, то из таблицы справочных данных для них μ = 0,65, масса шкафа будет 200 кг, а сила N в этом случае равна силе тяжести.
Подставляем данные в формулу. N = m × g. Для удобства мы округлили значение g до 10. 200 × 10 = 2000 Н, и тогда Fтр = 0,65 × 2000 = 1300 Н. Именно такая общая сила сможет сдвинуть шкаф с места. Сила, с которой может тянуть один человек, в среднем 350 H, делим 1300 Н на 350 Н (3.7) и получаем четыре человека.
Зная законы физики, можно рассчитать, сколько человек понадобится, чтобы сдвинуть шкаф
Со школьной парты на уроках физики учат, что сила трения рассчитывается как произведение силы давления тела на коэффициент трения между поверхностями. На самом деле это не до конца верно.
Во-первых, нужно понимать, что учат только понятию сухого трения, а оно бывает как трением покоя, так и трением скольжения. И коэффициент трения, который дается в условиях многих задач, тоже не разделяют на статический или на динамический. И они не будут равны. Уверен, у многих возникало ощущение, что двигать тяжелый шкаф легче, чем вначале постараться сдвинуть его с места.
Во-вторых, есть понятие вязкого трения, как сила сопротивления со стороны жидкостей, в силу наличия у них вязкости. С ними тоже не все просто, так как нужно учитывать еще и течение самой жидкости.
От чего зависит сила трения
Коэффициент трения в целом зависит от свойств поверхностей, находящихся в контакте, рассказал РБК Life репетитор по физике, ассистент НИЯУ МИФИ Александр Васильев. Коэффициент определяют материалы тел и их межмолекулярное взаимодействие в месте самого контакта. Можно выделить несколько ключевых причин: шероховатость поверхностей, наличие смазки или иных жидкостей между телами, скорость относительного движения и температура.
Интересно отметить, что существует отдельная область физики — трибология, которая изучает явления трения. Эта дисциплина изучает механизмы взаимодействия поверхностей, составляет методики проведения экспериментов и разрабатывает более эффективные решения для уменьшения трения в различных механизмах.
Примеры силы трения
Трение может быть полезным и вредным. Полезное стремятся увеличить, а вредное — уменьшить.
Примеры полезного трения
- трение ладоней друг о друга в холодную погоду (трение скольжения) — позволяет выделять тепло и за счет этого согревает;
- бег (трение покоя) — сцепление подошвы или стопы с поверхностью позволяет развить скорость и не поскользнуться;
- движение колес по асфальту (трение качения) — сцепление с поверхностью помогает транспорту не буксовать;
- установленные предметы интерьера (трение покоя) — притяжение молекул и сцепление с поверхностью позволяет столу, стулу, шкафу и другим объектам устойчиво стоять на поверхности.
Движение колес по асфальту — пример трения качения
Примеры вредного трения
- скольжение штанги в руках (трение скольжения) — из-за влажных ладоней штангу невозможно будет поднять;
- трение подшипников (трение скольжения) — из-за отсутствия смазки детали быстро изнашиваются;
- скольжение по гололеду (трение скольжения) — из-за отсутствия сцепления есть риск упасть и получить травму.
Самое банальное — это наша возможность передвигаться. За счет трения с землей мы можем ходить, а машины могут ездить. Попробуйте побегать на льду, где сцепление крайне мало.
Даже в одном примере трение проявляет себя и положительной и отрицательной стороны. За счет силы трения в машине работают тормозные колодки и она может остановиться, однако эта же сила приводят к их постепенному износу. С ее помощью можно добывать огонь, так как работа силы трения потом преобразуется в тепло, но это приводит к деформации тела.
Сила трения всегда двояка. Нужно только понимать, что хочешь получить в итоге или как ее по возможности минимизировать, если того требует задача.
Самый яркий пример, показывающий, что сила трения бывает полезна и не препятствует движению — передвижение всех колесных транспортных средств. Например, велосипеда. Представим, что мы поставили его на идеально гладкий лед и начали крутить педали — велосипед будет просто стоять на месте, вращая колесами. Для его движения необходимо хорошее сцепление с поверхностью, которое и происходит за счет силы трения. Колеса велосипеда, касаясь поверхности дороги, как бы отталкиваются от нее и катятся вперед. То есть движение здесь происходит только благодаря силе трения качения.
А во время ветра чем быстрее мы едем, тем с большей силой ветер бьет в лицо, это явно мешает движению. Здесь проявляется сила вязкого трения, возникающая со стороны воздуха и препятствующая движению.
Главное о силе трения
- Сила трения — это сопротивление, возникающее при соприкосновении тел или тела с жидкостью/газом, мешающее движению; измеряется в ньютонах (Н).
- Существуют два основных типа трения: сухое (между твердыми телами) и вязкое (в жидкостях и газах).
- Сухое трение делится на три вида: покоя (мешает начать движение), скольжения (сопротивляется уже начавшемуся движению), качения (возникает при перекатывании).
- Основная формула силы трения скольжения: F = μ × N, где μ — коэффициент трения, N — сила нормального давления (чаще всего равна весу тела).
- Коэффициент трения зависит от свойств и состояния поверхностей: их материала, шероховатости, наличия смазки, температуры и скорости.
- Сила трения покоя увеличивается с приложенной силой и достигает максимума в момент, когда тело начинает движение.
- Трение может быть полезным (движение, торможение, удержание предметов) и вредным (износ, потери энергии, перегрев механизмов). Примеры из жизни: скольжение санок, езда велосипеда, торможение автомобиля, сдвиг тяжелого шкафа, трение рук для согревания.
