Силы трения покоя и скольжения. Что такое сила трения, формулы В результате чего возникает сила трения

Темы кодификатора ЕГЭ: силы в механике, сила трения, коэффициент трения скольжения.

Сила трения - это сила взаимодействия между соприкасающимися телами, препятствующая перемещению одного тела относительно другого. Сила трения всегда направлена вдоль поверхностей соприкасающихся тел.

В школьной физике рассматриваются два вида трения.

1.Сухое трение . Оно возникает в зоне контакта поверхностей твёрдых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки.
2.Вязкое трение. Оно возникает при движении твёрдого тела в жидкой или газообразной среде или при перемещении одного слоя среды относительно другого.

Сухое и вязкое трение имеют разную природу и отличаются по свойствам. Рассмотрим эти виды трения по отдельности.

Сухое трение.

Сухое трение может возникать даже при отсутствии относительного перемещения тел. Так, тяжёлый диван остаётся неподвижным при слабой попытке сдвинуть его с места: наша сила, приложенная к дивану, компенсируется силой трения, возникающей между диваном и полом. Сила трения, которая действует между поверхностями покоящихся тел и препятствует возникновению движения, называется силой трения покоя.

Почему вообще появляется сила трения покоя? Соприкасающиеся поверхности дивана и пола являются шероховатыми, они усеяны микроскопическими, незаметными глазу бугорками разных форм и размеров. Эти бугорки зацепляются друг за друга и не дают дивану начать движение. Сила трения покоя, таким образом, вызвана силами электромагнитного отталкивания молекул, возникающими при деформациях бугорков.

При плавном увеличении усилия диван всё ещё не поддаётся и стоит на месте - сила трения покоя возрастает вместе с увеличением внешнего воздействия, оставаясь равной по модулю приложенной силе. Это понятно: увеличиваются деформации бугорков и возрастают силы отталкивания их молекул.

Наконец, при определённой величине внешней силы диван сдвигается с места. Сила трения покоя достигает своего максимально возможного значения. Деформации бугорков оказываются столь велики, что бугорки не выдерживают и начинают разрушаться. Возникает скольжение.

Сила трения, которая действует между проскальзывающими поверхностями, называется силой трения скольжения. В процессе скольжения рвутся связи между молекулами в зацепляющихся бугорках поверхностей. При трении покоя таких разрывов нет.

Объяснение сухого трения в терминах бугорков является максимально простым и наглядным. Реальные механизмы трения куда сложнее, и их рассмотрение выходит за рамки элементарной физики.

Сила трения скольжения, приложенная к телу со стороны шероховатой поверхности, направлена противоположно скорости движения тела относительно этой поверхности. При изменении направления скорости меняется и направление силы трения. Зависимость силы трения от скорости - главное отличие силы трения от сил упругости и тяготения (величина которых зависит только от взаимного расположения тел, т. е. от их координат).

В простейшей модели сухого трения выполняются следующие законы. Они являются обобщением опытных фактов и носят приближённый характер.

1. Максимальная величина силы трения покоя равна силе трения скольжения.
2. Абсолютная величина силы трения скольжения прямо пропорциональна силе реакции опоры:

Коэффициент пропорциональности - называется коэффициентом трения.

3. Коэффициент трения не зависит от скорости движения тела по шероховатой поверхности.
4. Коэффициент трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

Этих законов достаточно для решения задач.

Задача. На горизонтальной шероховатой поверхности лежит брусок массой кг. Коэффициент трения . К бруску приложена горизонтальная сила . Найти силу трения в двух случаях: 1) при 2) при .

Решение.Сделаем рисунок, расставим силы. Силу трения обозначаем (рис. 1 ).

Рис. 1. К задаче

Запишем второй закон Ньютона:

(1)

Вдоль оси брусок не совершает движения, . Проектируя равенство (1) на ось , получим: , откуда .

Максимальная величина силы трения покоя (она же сила трения скольжения) равна

1) Сила меньше максимальной силы трения покоя. Брусок остаётся на месте, и сила трения будет силой трения покоя:
2) Сила больше максимальной силы трения покоя. Брусок начнёт скользить, и сила трения будет силой трения скольжения: .

Вязкое трение.

Сила сопротивления, возникающая при движении тела в вязкой среде (жидкости или газе), обладает совершенно иными свойствами.

Во-первых, отсутствует сила трения покоя. Например, человек может сдвинуть с места плавающий многотонный корабль, просто потянув за канат.

Во-вторых, сила сопротивления зависит от формы движущегося тела. Корпус подводной лодки, самолёта или ракеты имеет обтекаемую сигарообразную форму - для уменьшения силы сопротивления. Наоборот, при движении полусферического тела вогнутой стороной вперёд сила сопротивления очень велика (пример - парашют).

В третьих, абсолютная величина силы сопротивления существенно зависит от скорости. При малых скоростях движения сила сопротивления прямо пропорциональна скорости:

При больших скоростях сила сопротивления прямо пропорциональна квадрату скорости:

Например, при падении в воздухе зависимость силы сопротивления от квадрата скорости имеет место уже при скоростях около нескольких метров в секунду. Коэффициенты и зависят от формы и размеров тела, от физических свойств поверхности тела и вязкой среды.

Так, парашютист при затяжном прыжке не набирает скорость безгранично, а с определённого момента начинает падать с установившейся скоростью, при которой сила сопротивления становится равна силе тяжести:

Отсюда установившаяся скорость:

(2)

Задача. Два металлических шарика, одинаковых по размеру и различных по массе, падают без начальной скорости с одной и той же большой высоты. Какой из шариков быстрее упадёт на землю - лёгкий или тяжёлый?
Решение. Из формулы (2) следует, что у тяжёлого шарика установившаяся скорость падения больше. Значит, он дольше будет набирать скорость и потому быстрее достигнет земли.

Определение 1

Сила трения представляет силу, появляющуюся в момент соприкосновения двух тел и препятствующую их относительному движению.

Главная причина, провоцирующая трение, кроется в шероховатости трущихся поверхностей и молекулярном взаимодействии указанных поверхностей. Сила трения зависима от материала соприкасающихся поверхностей и от силы их взаимного прижатия.

Понятие силы трения

Исходя из простых моделей трения (на основании закона Кулона), сила трения будет считаться прямо пропорциональной степени нормальной реакции соприкасающихся и трущихся поверхностей. Если рассматривать в целом, то процессы силы трения невозможно описать только лишь простыми моделями классической механики, что объясняется сложностью реакций в зоне взаимодействия трущихся тел.

Силы трения, подобно силам упругости, обладают электромагнитной природой. Их возникновение становится возможным, благодаря взаимодействию между молекулами и атомами тел, которые соприкасаются.

Замечание 1

Силы трения отличны от сил упругости и гравитационных фактом зависимости не только от конфигурации тел (от их взаимного расположения), но и от относительных скоростей их взаимодействия.

Разновидности силы трения

При условии наличия относительного движения двух контактирующих между собой тел, возникающие в таком процессе силы трения подразделяются на такие виды:

1. Трение скольжения (представляет силу, возникающую как следствие поступательного перемещения одного из взаимодействующих тел относительно второго и воздействующая на данное тело в направлении, которое будет противоположным направлению скольжения).
2. Трение качения (представляет момент сил, способный возникать в условиях процесса качения одного из двух контактирующих с другим тел).
3. Трение покоя (считается силой, возникающей между двумя взаимодействующими телами, при этом она становится серьезным препятствием для возникновения относительного движения. Такая сила преодолевается с целью приведения данных контактирующих тел в движение относительно друг друга. Такой вид трения появляется при микроперемещениях (к примеру, при деформации) контактирующих тел. При возрастании усилий начнется повышение и силы трения.
4. Трение верчения (является моментом силы, возникающим между контактирующими телами в условиях вращения одного из них в отношении другого и направленным против вращения). Определяется формулой: $M=pN$, где $N$ - нормальное давление, $p$- коэффициент трения верчения, имеющий размерность длины.

Экспериментальным образом была установлена независимость силы трения от площади поверхности, вдоль которой наблюдается соприкосновение тел, и пропорциональность силе нормального давления, с которой одно тело будет действовать на второе.

Определение 2

Постоянная величина представляет коэффициент трения, при этом зависимый от природы и состояния трущихся поверхностей.

В определенных ситуациях трение оказывается полезным. Можно привести примеры с невозможностью хождения человека (при отсутствии трения) и движением автотранспорта. Наряду с тем, трение может оказывать и вредный эффект. Так, оно провоцирует износ соприкасающихся деталей механизмов, дополнительный расход топлива для транспортных средств. Средством противостояния этому служат различные смазки (воздушные или жидкостные подушки). Еще одним эффективным способом считается замена скольжения качением.

Основные расчетные формулы для определения силы трения

Расчетная формула силы трения при скольжении будет выглядеть так:

• $m$-коэффициент пропорциональности (трения скольжения),
• $Р$ – сила вертикального (нормального) давления.

Сила трения скольжения представляет одну из управляющих движением сил, а ее формулу записывают с применением силы реакции опоры. На основе действия третьего закона Ньютона, силы нормального давления, а также реакции опоры оказываются равными по величине и противоположными по направлению:

Перед определением силы трения, формула которой будет записываться таким образом: $F=mN$, определяется сила реакции.

Замечание 2

Коэффициент сопротивления при процессе скольжения вводят экспериментально для трущихся поверхностей, при этом он будет зависимым от материала и качества обработки.

Максимальная сила трения покоя определяется подобно силе трения скольжения. Это играет важное значение для решения задач по определению силы движущего сопротивления. Можно привести пример с книгой, передвигаемой прижатой к ней рукой. Так, скольжение этой книги будет осуществляться под воздействием силы сопротивления покоя между книгой и рукой. При этом величина сопротивления будет зависеть от показателя силы вертикального давления на книгу.

Интересным будет факт пропорциональности силы трения квадрату соответствующей скорости, а ее формула станет видоизменяться, в зависимости от скорости перемещения взаимодействующих тел. К такой силе можно отнести силу вязкого сопротивления в жидкости.

В зависимости от скорости перемещения, силу сопротивления будет определять скорость движения, форма перемещающегося тела или вязкость жидкости. Движение в масле и воде одного и того же тела сопровождает различное по величине сопротивление. Для незначительных скоростей оно выглядит так:

• $k$ – коэффициент пропорциональности, зависящий от линейных размеров тела и свойств среды,
• $v$ – скорость тела.

Уроки 7–8. Всё о силе трения

С трением мы сталкиваемся на каждом шагу, но без трения мы не сделали бы и шага. Невозможно представить себе мир без сил трения. В отсутствие трения многие кратковременные движения продолжались бы бесконечно. Земля сотрясалась бы от непрерывных землетрясений, т.к. тектонические плиты постоянно сталкивались бы между собой. Все ледники сразу же скатились бы с гор, а по поверхности Земли носилась бы пыль от прошлогоднего ветра. Как хорошо, что всё-таки есть на свете сила трения! С другой стороны, трение между деталями машин приводит к их износу и дополнительным расходам. Приблизительные оценки показывают, что научные исследования в трибологии – науки о трении – могли бы сберечь от 2 до 10% национального валового продукта.

Классический закон трения. Два самых главных изобретения человека – колесо и добывание огня – связаны с силой трения. Изобретение колеса позволило значительно уменьшить силу, препятствующую движению, а добывание огня поставило силу трения на службу человеку. Однако до сих пор учёные далеки от полного понимания физических основ силы трения. И вовсе не оттого, что людей с некоторых пор перестало интересовать это явление. Первая формулировка законов трения принадлежит великому Леонардо (1519 г.), который утверждал, что сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна силе прижатия, направлена против направления движения и не зависит от площади контакта. Этот закон был заново открыт через 180 лет Г.Амонтоном, а затем уточнён в работах Ш.Кулона (1781 г.). Амонтон и Кулон ввели понятие коэффициента трения как отношения силы трения к нагрузке, придав ему значение физической константы, полностью определяющей силу трения для любой пары контактирующих материалов. До сих пор именно эта формула:

где Fтр – сила трения, N – составляющая силы прижатия, нормальная к поверхности контакта, а – коэффициент трения, – является единственной формулой, которую можно найти в учебниках по физике.

В течение двух столетий экспериментально доказанный закон (1) никто не смог опровергнуть и до сих пор он звучит так, как и 200 лет назад:

1. Сила трения прямо пропорциональна нормальной составляющей силы, сжимающей поверхности скользящих тел, и всегда действует в направлении, противоположном направлению движения.

2. Сила трения не зависит от величины поверхности соприкосновения.

3. Сила трения не зависит от скорости скольжения.

4. Сила трения покоя всегда больше силы трения скольжения.

5. Сила трения зависит только от свойств двух материалов, которые скользят друг по другу.

Потираем руки и проверяем основной закон трения. Сила трения – одна из диссипативных сил. Другими словами, вся работа, расходуемая на её преодоление, переходит в тепло. Значения m, приводимые в инженерных справочниках, позволяют оценивать этот нагрев в проектируемых приборах и устройствах (см. таблицу). Ну а мы попробуем найти количество выделяющейся тепловой энергии, когда, разогреваясь, потираем руки или разогреваем с их помощью охлаждённые участки тела.

Пусть мы сжимаем ладони с силой 0,5 Н, и для трения кожи о кожу составляет 0,5. Тогда сила трения, которую мы преодолеваем при скольжении одной ладони по поверхности другой, будет равна 0,25 Н. Если считать, что, разогреваясь, мы за одну секунду совершаем четыре движения ладони, и каждое из них по 0,1 м, то мощность, расходуемая на преодоление силы трения, составляет 0,1 Вт. За 10 с такого разогрева в области контакта ладоней выделится 1 Дж тепловой энергии. Пусть всё тепло идёт на разогрев участка поверхности кожи площадью 0,01 м 2 и толщиной 0,001 м, который имеет массу около 10 –5 кг и удельную теплоёмкость, близкую к теплоёмкости воды (4 кДж/(кг. °С). Значит, наш разогрев приведёт к нагреву этого участка на 25 °С. Видно, что оценка нагрева получилась явно завышенной. Большая часть тепла от разогрева, конечно, уходит в ткани, расположенные под кожей и разносится по телу с кровотоком, но и оставшейся части тепловой энергии оказывается достаточно, чтобы поднять температуру кожи на несколько градусов.

Тормозной путь. Две машины столкнулись на перекрёстке. Повреждения небольшие, т.к. каждый успел почти полностью затормозить перед аварией. Поэтому и виноватым себя считать никто не хочет. Приехавший инспектор решил, что виноват тот, у кого длина тормозного пути – чёрного следа от колёс – больше. Почему?

Пусть машина выезжала на перекрёсток со скоростью , и её водитель, увидев другую машину, стал тормозить, оставив на дороге след длиной L. Если считать, что к моменту столкновения вся кинетическая энергия автомобиля перешла в работу по преодолению силы трения (в тепло), то где m – масса автомобиля, а g – ускорение свободного падения. Откуда следует, что длина тормозного пути пропорциональна квадрату скорости автомобиля. Значит, тот, кто подъезжал к перекрёстку с большей скоростью, имеет и большую длину тормозного пути. Так, например, для = 0,7 длина тормозного пути 30 м соответствует скорости движения 73 км/ч, что на 13 км/ч больше разрешённой скорости движения по улицам города.

А почему все шины чёрные? Все изготовители шин используют один и тот же процесс – вулканизацию жидкой резины, при котором одной из добавок служит угольная пудра. В результате длинные молекулы жидкой резины сшиваются между собой, что превращает её в эластичный и прочный материал. Так как частички угля чёрные и их относительно много (около 25% по весу), то и резина становится чёрной. Чем больше добавлять угольной пудры, состоящей практически из одного углерода, тем более жёсткой, прочной и менее прилипчивой будет резина.

Как нажимать на газ и тормоз, чтобы быстрее разогнаться и остановиться? Некоторые водители, увидев, что на светофоре зажёгся зелёный свет, вдавливают педаль газа до самого пола, пытаясь как можно быстрее набрать максимальную скорость. Свидетели такого старта слышат свист проскальзывающих относительно дороги шин. Со стороны это выглядит, действительно, очень впечатляюще. Но как на самом деле? Неужели, для того чтобы машина приобрела наибольшее ускорение, надо заставлять колёса скользить по дорожному покрытию? Конечно, нет.

Известно, что движущей силой автомобиля служит сила трения его колёс о дорожное покрытие. Если резко нажать на педаль газа, вызвав проскальзывание шин относительно асфальта, то максимальное ускорение будет пропорционально силе трения скольжения, которая всегда меньше максимальной силы трения покоя. Поэтому быстрее ускоряются не те, кто сжигает резину покрышек, а те, кто использует силу трения покоя (т.е. не допускает скольжения) в том диапазоне, где она превышает силу трения скольжения.

Резкое торможение, как и ускорение, может привести к скольжению колёс по дорожному покрытию, а значит, к уменьшению силы, тормозящей автомобиль. Ведь тормозящей силой является тоже сила трения. Поэтому, нажав очень резко на педаль газа и допустив проскальзывание, мы увеличиваем тормозной путь. Чтобы минимизировать тормозной путь, в современных автомобилях устанавливают систему ABS (Antilock Brake System), которая, препятствуя скольжению колёс по дорожному покрытию, трансформирует резкое нажатие на тормоз в последовательность нескольких торможений. Эффективность ABS-торможения особенно высока на мокрых дорогах, когда максимальная сила трения покоя может в несколько раз превышать силу трения скольжения.

Зависимость силы трения, действующей на тело, от силы, которая может привести или приводит к движению тела для сухого и мокрого дорожного покрытия

Для чего нужен рисунок на шинах автомобиля? Если машина въезжает в лужу, а вода не успевает выскочить из-под колеса, то сцепление с дорогой теряется, и колесо может вращаться вокруг оси, не испытывая трения. В этом случае машина теряет движущую силу и становится неуправляемой. Вот почему на покрышках автомобильных шин находятся канавки, помогающие воде выбираться из-под колеса, что помогает резине шин даже в лужах быстро находить контакт с покрытием дороги. Зимой большинство водителей «обувают» свои машины в зимнюю резину. Если ездить на летних покрышках зимой, то узкие канавки быстро забьются снегом, а он, превратившись в лёд, сделает из автомобиля прекрасное средство для неуправляемого скольжения по дорогам. Поэтому покрышки, приспособленные для езды по заснеженным и обледенелым дорогам, имеют широкие канавки и гораздо большую поверхность контакта с дорожным покрытием. Ну а если предстоит ехать по бездорожью, то покрышки должны быть глубоко рифлёными, т.к. грязь, имеющая большую вязкость, просто не пролезет через канавки, когда будет двигаться под весом наезжающего колеса.

Покрышки автомобильных шин, предназначенные для летних (слева),
зимних (в середине) дорог и бездорожья (справа)

Гонки «Формулы-1» – война шин. Каждый пилот гоночного болида хочет иметь хорошее сцепление с дорогой, чтобы обеспечить быстрый старт. Но это значит, что шины его автомобиля должны хорошо прилипать к дорожному покрытию. Ведь только тогда максимальная сила трения покоя будет велика. Но такая прилипчивая шина всегда будет оставлять на дороге след из частичек, прилипших навсегда к дорожному покрытию. Другими словами, износ шин с высоким сцеплением тоже высок. Поэтому на гонках «Формулы-1» средний ресурс шины около 200 км, в то время как у обычных шин он может составлять несколько десятков тысяч километров.

Шины гоночных болидов «Формулы-1» очень широкие и совсем «лысые»

Известно, что автомобильные гонки проходят на лысой резине или шинах с несколькими очень неглубокими канавками. Канавки в шинах гоночных машин не нужны, т.к. они увеличивают сцепление с дорогой только тогда, когда она мокрая. А при мокрой дороге гонки отменяют.

Для производства шин гоночных автомобилей используется специальная липкая резина. Поэтому сила трения этих шин на сухой дороге растёт с увеличением площади контакта, таким образом вступая в противоречие с классическим законом, справедливым для трения твёрдых и неэластичных поверхностей. Чтобы обеспечить максимальную силу трения, шины колёс гоночных автомобилей делают очень широкими (до 0,38 м), что также позволяет лучше рассеивать тепло, образующееся при трении о дорожное покрытие.

Чистая резина прилипает к дороге лучше, чем грязная. Поэтому перед самым стартом покрышки с помощью специальных устройств и процедур нагревают до 80°С, очищая их поверхность, обеспечивая хорошее прилипание к дорожному покрытию. Кстати, шины гоночных автомобилей иногда надувают азотом, т.к. влага, содержащаяся в обычном воздухе, при нагревании шин испаряется и увеличивает давление в колёсах, что создаёт дополнительные трудности в управлении.

О чём поют колёса? Шум, издаваемый колёсами автомобилей, – одна из основных проблем больших городов. Огромные средства тратятся ежегодно на борьбу с этим шумом, т.к. стоимость одного километра звукопоглощающего барьера, устанавливаемого вдоль шоссе, близка к миллиону долларов. Есть несколько теорий возникновения этого шума. В одной из них считается, что он возникает из-за колебаний деформированных участков внешней части покрышки, после того как они распрямляются. Другая связывает появление шума с отлипанием резины от дороги. Ну а самая романтичная гипотеза объясняет шум тем, что причиной всему воздух, двигающийся по канавкам автомобильных покрышек, как по трубам органа, и поэтому поющий.

Классики не всегда правы. Уже в XIX в. стало ясно, что закон Амонтона–Кулона не даёт правильного описания силы трения, а коэффициенты трения отнюдь не являются универсальными характеристиками. Прежде всего было отмечено, что коэффициенты трения зависят не только от того, какие материалы контактируют, но и от того, насколько гладко обработаны контактирующие поверхности. Выяснилось, например, что сила трения в вакууме всегда больше, чем при нормальных условиях.

Как отмечает лауреат Нобелевской премии по физике (1965) Р.Фейнман в своих лекциях, «…таблицы, в которых перечислены коэффициенты трения “стали по стали, меди по меди” и прочее, всё это сплошное надувательство, ибо в них этими мелочами пренебрегают, а ведь они-то и определяют значение . Трение “меди о медь” и т.д. – это на самом деле трение “о загрязнения, приставшие к меди”».

Можно, конечно, пойти по другому пути и, изучая трение «меди по меди», измерять силы при движении идеально отполированных и дегазированных поверхностей в вакууме. Но тогда два таких куска меди просто слипнутся, и коэффициент трения покоя начнёт расти со временем, прошедшим с начала контакта поверхностей. По тем же причинам коэффициент трения скольжения будет зависеть от скорости (расти с её уменьшением). Значит, точно определить силу трения для чистых металлов тоже невозможно.

Тем не менее для сухих стандартных поверхностей классический закон трения почти точен, хотя причина такого вида закона до самого последнего времени оставалась непонятной. Ведь теоретически оценить коэффициент трения между двумя поверхностями никто так и не смог.

Как атомы трутся друг о друга? – спрашиваем у учёных. Сложность изучения трения заключается в том, что место, где этот процесс происходит, скрыт от исследователя со всех сторон. Несмотря на это, учёные уже давно пришли к заключению, что сила трения связана с тем, что на микроскопическом уровне (т.е. если посмотреть в микроскоп) соприкасающиеся поверхности очень шероховатые, даже если они отполированы. Поэтому скольжение двух поверхностей друг по другу может напоминать фантастический случай, когда перевёрнутые Кавказские горы трутся, например, о Гималаи.

Прежде думали, что механизм трения несложен: поверхность покрыта неровностями, и трение есть результат следующих друг за другом циклов «подъём–спуск» скользящих частей. Но это неправильно, ведь тогда не было бы потерь энергии, а при трении расходуется энергия. Поэтому более правильной можно считать следующую модель трения. При скольжении трущихся поверхностей микронеровности задевают друг за друга, и в точках соприкосновения противостоящие друг другу атомы сцепляются. При дальнейшем относительном движении тел эти сцепки рвутся, и возникают колебания атомов, подобные тем, какие происходят при отпускании растянутой пружины. Со временем эти колебания затухают, а их энергия превращается в тепло, растекающееся по обоим телам. В случае скольжения мягких тел возможно также разрушение микронеровностей, так называемое «пропахивание», в этом случае механическая энергия расходуется на разрушение атомарных связей.

Таким образом, если мы хотим изучать трение, нам надо ухитриться двигать песчинку, состоящую из несколько атомов, вдоль поверхности на очень маленьком расстоянии от неё, измеряя при этом силы, действующие на эту песчинку со стороны поверхности. Это стало возможным после изобретения атомно-силового микроскопа (АСМ) Г.Биннингом и Г.Рорером, которым в 1986 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. Создание такого микроскопа, способного чувствовать силы притяжения и отталкивания между отдельными атомами, дало возможность наконец «пощупать», что такое силы трения, открыв новую область науки о трении – нанотрибологию.

Основой АСМ служит микрозонд, обычно сделанный из кремния и представляющий собой тонкую пластинку-консоль (её называют кантилевером, от англ. cantilever – консоль, балка). На конце кантилевера (длина 500 мкм, ширина 50 мкм, толщина 1 мкм) делается очень острый шип (высота 10 мкм, радиус закругления 1–10 нм), оканчивающийся группой из одного или нескольких атомов. При перемещении микрозонда вдоль поверхности образца остриё шипа приподнимается и опускается, очерчивая микрорельеф поверхности, подобно скользящей по грампластинке игле. На выступающем конце кантилевера (над шипом) расположена зеркальная площадка, на которую падает и от которой отражается луч лазера. Когда шип опускается и поднимается на неровностях поверхности, отражённый луч отклоняется, и это отклонение регистрируется фотодетектором. Данные фотодетектора используются в системе обратной связи, которая может обеспечивать либо постоянное удаление шипа от поверхности образца, либо постоянную силу давления острия на образец.

В первом случае пьезоэлектрический преобразователь может регистрировать движение кантилевера, прыгающего от одного атома исследуемой поверхности к другому, строя таким образом объёмный рельеф поверхности образца в режиме реального времени. Разрешающая способность таких микроскопов составляет примерно 0,1–1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали. Смещая зонд по горизонтали, можно получить серию рельефов и с помощью компьютера построить трёхмерное изображение.

С помощью АСМ с начала 1990-х гг. проводятся систематические исследования силы трения микрозондов при их скольжения вдоль различных поверхностей и зависимости этих сил от силы прижатия. Оказалось, что для обычно используемых зондов, сделанных из кремния, микроскопическая сила трения скольжения составляет около 60–80% от прижимающей силы, которая составляет не более 10 нН. Как и следовало ожидать, сила трения скольжения растёт с размером микрозонда, т.к. количество атомов, одновременно его притягивающих, увеличивается. Таким образом, сила трения скольжения микрозонда зависит от площади его контакта с поверхностью, что противоречит классическому закону трения. Оказалось также, что сила трения скольжения не становится нулевой при отсутствии силы, прижимающей микрозонд к поверхности. Да это и понятно, т.к. окружающие микрозонд атомы поверхности так близко к нему расположены, что притягивают его даже в отсутствие внешней силы сжатия. Поэтому и основное предположение классического закона – о прямой пропорциональной зависимости силы трения от силы сжатия – тоже не соблюдается в нанотрибологии.

Однако все эти расхождения между основным законом и данными нанотрибологии, полученными с помощью АСМ, легко устраняются. При увеличении силы, прижимающей скользящее тело, увеличивается количество микроконтактов, а значит, увеличивается и суммарная сила трения скольжения. Поэтому никаких противоречий между только что полученными данными и старым законом нет.

Зависимость силы трения скольжения микрозонда от внешней силы N, прижимающей его к графитовой поверхности. Радиус кривизны зонда 17 нм (вверху) и 58 нм (внизу). При малых N зависимость нелинейная, а при больших приближается к линейной (пунктир). Данные взяты из статьи Х.Холшера и А.Шварца (2002)

Долгое время было принято считать, что, принуждая одно тело скользить по другому, мы ломаем малые неоднородности одного тела, которые цепляются за неоднородности поверхности другого, и для того, чтобы ломать эти неоднородности, и нужна сила трения. Поэтому старые представления часто связывают силу возникновение силы трения с повреждением микровыступов трущихся поверхностей, их так называемым износом. Нанотрибологические исследования с помощью АСМ и других современных методик показали, что сила трения между поверхностями может существовать даже тогда, когда они не повреждаются. Причиной такой силы трения служат постоянно возникающие и рвущиеся адгезионные связи между трущимися атомами.

Почему лёд скользкий? Узнать, почему можно скользить по льду, удалось учёным только сейчас. А началось всё давным-давно, в 1849 г. Братья Джеймс и Вильям Томсоны (последнему впоследствии за большие заслуги было присвоен титул лорда Кельвина) выдвинули гипотезу, согласно которой лёд под нами плавится оттого, что мы на него давим. И поэтому мы скользим уже не по льду, а по образовавшейся плёнке воды на его поверхности.

Действительно, если увеличить давление, то температура плавления льда понизится. Происходит это вот почему. Известно, что плотность льда меньше плотности воды, и поэтому, когда лёд сжимают, он, «пытаясь» уменьшить деформацию, вызванную ростом давления, «понижает» температуру плавления. Это одно из проявления так называемого принципа Ле Шателье: внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия. Расчёты и эксперименты показали, что для того, чтобы понизить температуру плавления льда на один градус, необходимо давление увеличить до 121 атм (1,22 МПа). Попробуем посчитать, какое давление оказывает спортсмен на лёд, когда скользит по нему на одном коньке длиной 20 см и толщиной 0,3 см. Если считать, что масса спортсмена 75 кг, то его давление на лёд составит около 12 атм. Таким образом, стоя на коньках, мы едва ли сможем понизить температуру плавления льда больше, чем на 1 °С. Значит, объяснить скольжение по льду в коньках и тем более в обычной обуви, опираясь на принцип Ле Шателье, невозможно, если за окном, например, –10 °С.

В 1939 г., когда стало ясно, что понижением температуры плавления скользкость льда не объяснить, Ф.Бауден и Т.Хьюз предположили, что тепло, необходимое для плавления льда под коньком, даёт сила трения. Однако эта теория не могла объяснить, почему так тяжело бывает даже стоять на льду, не двигаясь. С начала 1950-х гг. учёные стали считать, что лёд скользкий из-за тонкой плёнки воды, образующейся на его поверхности в силу каких-то неизвестных причин. Только в конце 1990-х гг. изучение того, как рассеивает лёд рентгеновские лучи, действительно показало, что его поверхность не является упорядоченной кристаллической структурой, а скорее похожа на жидкость.

Учёные объяснили это тем, что расположенные на поверхности льда молекулы воды находятся в особых условиях. Силы, заставляющие их находиться в узлах гексагональной решётки, действуют на них только снизу. Поэтому поверхностным молекулам ничего не стоит «уклониться от советов» молекул, находящихся в решётке, и если это происходит, то к такому же решению приходят сразу несколько поверхностных слоёв молекул воды. В результате на поверхности льда образуется плёнка жидкости, служащая хорошей смазкой при скольжении.

Кстати, тонкие плёнки жидкости образуются не только на поверхности льда, но и многих других кристаллов. Толщина жидкой плёнки увеличивается с ростом температуры, т.к. более высокая тепловая энергия молекул вырывает из гексагональных решёток больше поверхностных слоёв. Наличие примесей (молекул, отличных от воды) тоже мешает поверхностным слоям образовывать кристаллические решётки. Поэтому увеличить толщину жидкой плёнки можно, растворив в ней какие-либо примеси, например, обычную соль. Этим и пользуются коммунальные службы, когда борются зимой с обледенением дорог и тротуаров.

Схематическое изображение поперечного среза льда. Беспорядочное расположение молекул воды на поверхности соответствует плёнке жидкости, а гексагональная структура в толще – кристаллическому льду. Серые кружки – атомы кислорода, белые – водорода

Трение качения – это совсем другое. В идеальном случае, когда колесо, сделанное из несжимаемого материала, по инерции катится по гладкой недеформируемой поверхности, никакие силы трения на это колесо не действуют. Колесо, касаясь поверхности в одной точке, вращается вокруг этой точки, потом точкой касания и центром вращения становится другая точка и т.д. Так как точка касания не движется относительно поверхности, то и сила трения скольжения отсутствует.

Однако в реальных условиях дорожное покрытие, и материал, из которого сделан диск колеса, не являются абсолютно жёсткими. Рассмотрим сначала первый случай. Если поставить колесо на мягкую поверхность, надавить сверху с силой P и пытаться, вращая его, продвинуть вперёд со скоростью v, то мы столкнёмся с силой сопротивления качению Fк. Колесо деформирует поверхность под собой так, что впереди появляется бугорок, который всё время приходится преодолевать. Горизонтальная составляющая сил реакции этого бугорка и представляет собой силу трения качения Fк. Вертикальные составляющие сил сопротивления бугорка компенсируются силой тяжести автомобиля. Так как высота бугорка пропорциональна весу колеса (или укреплённого на нём автомобиля), то и сила трения качения Fк тоже пропорциональна весу автомобиля и силе реакции со стороны дороги N: Fк = кN.

Качение несжимаемого колеса радиуса R по несжимаемой поверхности. K – точка касания и мгновенный центр вращения колеса с угловой скоростью , результатом которого является движение центра колеса О со скоростью

При качении мягкого колеса по твёрдой дороге на переднюю часть соприкасающейся с дорогой поверхности колеса всё время «наезжают». Поэтому она сжимается больше, чем задняя, и сила реакции от передней части колеса, направленная противоположно движению, тоже больше. Сила трения качения равна разности горизонтальных составляющих сил реакции от передней и задней частей колеса. Так как сжатие колеса пропорционально весу машины (или силе реакции опоры), то Fк = кN.

Возникновение силы трения при качении твёрдого колеса по мягкой дороге

Силы трения качения определяются жёсткостью материалов колеса и дорожного покрытия. Чем больше жёсткость, тем меньше величина трения качения. Поэтому, чтобы сократить расходы на топливо, необходимо как можно сильнее накачивать автомобильные колеса, делая их более жёсткими. Достаточно пощупать колёса грузовика, чтобы убедиться в этом. У пассажирского автомобиля давление в колёсах гораздо меньше, т.к. с жёсткими колёсами пассажиры будут ощущать все неровности дороги. В результате его шины больше деформируются, и соответственно растёт сила трения качения.

Возникновение силы трения при качении мягкого колеса по жёсткой дороге. При качении мягкого колеса деформация его передних участков больше, что приводит к появлению горизонтальной составляющей силы, действующей со стороны дороги, и силы, тормозящей движение, – силы трения качения

Сила, необходимая для преодоления трения качения, пропорциональна весу автомобиля и, вообще говоря, не зависит от скорости его движения. Чтобы измерить эту силу, поместите машину на горизонтальный участок дороги, поставьте рычаг переключения скоростей в нейтральное положение (отсоедините колёса от двигателя) и выключите зажигание. После этого привяжите к автомобилю трос, а к нему – пружинные весы. Прикладывая к тросу силу, постарайтесь сдвинуть машину с места и равномерно тянуть её. Одновременно с этим ваш помощник должен смотреть на показания весов и записывать их. Если нет пружинных весов, можно использовать бытовые весы для взвешивания человека. Такими весами можно толкать машину, используя их в качестве прокладки. Сила трения качения для автомобиля массой 1000 кг в среднем составляет около 100 Н.

Для очень дальних перевозок построили железные дороги, где железное колесо катится по железному рельсу с очень малым коэффициентом трения качения. Тормозят поезда медленно, но эксплуатация их очень выгодна.

Трение (фрикционное взаимодействие) – процесс взаимодействия тел при их относительном движении (смещении) либо при движении тела в газообразной или жидкой среде.

Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется трибология (механика фрикционного взаимодействия).

Трение принято разделять на:

• сухое , когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями / смазками (в том числе и твёрдыми смазочными материалами) – очень редко встречающийся на практике случай; характерная отличительная черта сухого трения – наличие значительной силы трения покоя;
• граничное , когда в области контакта могут содержаться слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и так далее) – наиболее распространённый случай при трении скольжения;
• жидкостное (вязкое), возникающее при взаимодействии тел, разделённых слоем твёрдого тела (порошком графита), жидкости или газа (смазки) различной толщины – как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость, величина вязкого трения характеризуется вязкостью среды;
• смешанное , когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
• эластогидродинамическое (вязкоупругое), когда решающее значение имеет внутреннее трение в смазывающем материале. Возникает при увеличении относительных скоростей перемещения.

Сила трения – это сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их относительному движению.

Причины возникновения силы трения:

• шероховатость соприкасающихся поверхностей;
• взаимное притяжение молекул этих поверхностей.

Трение скольжения – сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих / взаимодействующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения.

Трение качения – момент сил, возникающий при качении одного из двух контактирующих / взаимодействующих тел относительно другого.

Трение покоя – сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга.

Сила трения прямо пропорциональна силе нормальной реакции, то есть зависит от того, насколько сильно тела прижаты друг к другу и от их материала, поэтому основной характеристикой трения является коэффициент трения , который определяется материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел.

Износ – изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия вследствие разрушения (изнашивания) поверхностного слоя при трении.

Работа любой машины неизбежно сопровождается трением при относительном движении её частей, поэтому полностью устранить износ невозможно. Величина износа при непосредственном контакте поверхностей прямо пропорциональна работе сил трения.

Абразивный износ частично вызывается действием пыли и грязи, поэтому очень важно содержать оборудование в чистоте, особенно её трущиеся части.

Для борьбы с износом и трением заменяют одни металлы другими, более устойчивыми, применяют термическую и химическую обработку трущихся поверхностей, точную механическую обработку, а также заменяют металлы различными заменителями, изменяют конструкцию, улучшают смазку (изменяют вид, вводят присадки) и т.д.

В машинах стремятся не допускать непосредственного трения скольжения твёрдых поверхностей, для чего или разделяют их слоем смазки (жидкостное трение), или же вводят между ними добавочные элементы качения (шариковые и роликовые подшипники).

Основное правило конструирования трущихся деталей машин состоит в том, что более дорогой и трудно заменяемый элемент трущейся пары (вал) изготовляют из более твёрдого и более износоустойчивого материала (твёрдая сталь), а более простые, дешёвые и легко заменяемые части (вкладыши подшипников) изготовляют из сравнительно мягкого материала с небольшим коэффициентом трения (бронза, баббит).

Большинство деталей машин выходят из строя именно вследствие износа, поэтому уменьшение трения и износа даже на 5-10% даёт огромную экономию, что имеет исключительное значение.

Перечень ссылок

1. Трение // Википедия. – http://ru.wikipedia.org/wiki/Трение .
2. Износ (техника) // Википедия. – http://ru.wikipedia.org/wiki/Износ_(техника) .
3. Трение в машинах, трение и износ в машиностроении // Проект-Технарь. Прогрессивные авто-технологии. – http://www.studiplom.ru/Technology/Trenie.html .

Вопросы для контроля

1. Что такое трение?
2. Какие существуют разновидности трения?
3. Что приводит к возникновению силы трения?
4. Как классифицируют трение в зависимости от действующих сил?
5. Что такое износ и как с ним борются?

<

«Физика - 10 класс»

Вспомните, что такое трение.
Какими факторами оно обусловлено?
Почему изменяется скорость движения по столу бруска после толчка?

Ещё один вид сил, с которыми имеют дело в механике, - это силы трения. Эти силы действуют вдоль поверхностей тел при их непосредственном соприкосновении.

Силы трения во всех случаях препятствуют относительному движению соприкасающихся тел. При некоторых условиях силы трения делают это движение невозможным. Однако они не только тормозят движение тел. В ряде практически важных случаев движение тела не могло бы возникнуть без действия сил трения.

Трение, возникающее при относительном перемещении соприкасающихся поверхностей твёрдых тел, называется сухим трением .

Различают три вида сухого трения: трение покоя, трение скольжения и трение качения.

Трение покоя.

Попробуйте сдвинуть пальцем лежащую на столе толстую книгу. Вы приложили к ней некоторую силу, направленную вдоль поверхности стола, а книга остаётся в покое. Следовательно, между книгой и поверхностью стола возникает сила, направленная против той силы, с которой вы действуете на книгу, и в точности равная ей по модулю. Это сила трения тp . Вы с большей силой толкаете книгу, но она по-прежнему остаётся на месте. Значит, и сила трения тp настолько же возрастает.

Силу трения, действующую между двумя телами, неподвижными относительно друг друга, называют силой трения покоя .

Если на тело действует сила , параллельная поверхности, на которой оно находится, и тело при этом остаётся неподвижным, то это означает, что на него действует сила трения покоя тp , равная по модулю и направленная в противоположную сторону силе (рис. 3.22). Следовательно, сила трения покоя определяется действующей на него силой:

Если действующая на покоящееся тело сила хотя бы немного превысит максимальную силу трения покоя, то тело начнёт скользить.

Наибольшее значение силы трения, при котором скольжение ещё не наступает, называется максимальной силой трения покоя .

Для определения максимальной силы трения покоя существует весьма простой, но не очень точный количественный закон. Пусть на столе находится брусок с прикреплённым к нему динамометром. Проведём первый опыт. Потянем за кольцо динамометра и определим максимальную силу трения покоя. На брусок действуют сила тяжести m, сила нормальной реакции опоры 1 , сила натяжения 1 , пружины динамометра и максимальная сила трения покоя тр1 (рис. 3.23).

Положим на брусок ещё один такой же брусок. Сила давления брусков на стол увеличится в 2 раза. Согласно третьему закону Ньютона сила нормальной реакции опоры 2 также увеличится в 2 раза. Если мы снова измерим максимальную силу трения покоя, то увидим, что она увеличилась во столько раз, во сколько раз увеличилась сила 2 , т. е. в 2 раза.

Продолжая увеличивать число брусков и измеряя каждый раз максимальную силу трения покоя, мы убедимся в том, что

>максимальное значение модуля силы трения покоя пропорционально модулю силы нормальной реакции опоры.

Если обозначить модуль максимальной силы трения покоя через F тр. mах, то можно записать:

F тр. mах = μN (3.11)

где μ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения. Коэффициент трения характеризует обе трущиеся поверхности и зависит не только от материала этих поверхностей, но и от качества их обработки. Коэффициент трения определяется экспериментально.

Эту зависимость впервые установил французский физик Ш. Кулон.

Если положить брусок на меньшую грань, то F тр. mах не изменится.

Максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения тел.

Сила трения покоя изменяется в пределах от нуля до максимального значения, равного μN. За счёт чего может происходить изменение силы трения?

Дело здесь вот в чём. При действии на тело некоторой силы оно слегка (незаметно для глаза) смещается, и это смещение продолжается до тех пор, пока микроскопические шероховатости поверхностей не расположатся относительно друг друга так, что, зацепляясь одна за другую, они приведут к появлению силы, уравновешивающей силу . При увеличении силы тело опять чуть-чуть сдвинется так, что мельчайшие неровности поверхностей по-иному будут цепляться друг за друга, и сила трения возрастёт.

И лишь при > F тр. mах ни при каком взаимном расположении шероховатостей поверхности сила трения не в состоянии уравновесить силу , и начнётся скольжение.

Зависимость модуля силы трения скольжения от модуля действующей силы показана на рисунке 3.24.

При ходьбе и беге на подошвы ног действует сила трения покоя, если только ноги не скользят. Такая же сила действует на ведущие колёса автомобиля. На ведомые колёса также действует сила трения покоя, но уже тормозящая движение, причём эта сила значительно меньше силы, действующей на ведущие колёса (иначе автомобиль не смог бы тронуться с места).

В давнее время сомневались, что паровоз сможет ехать по гладким рельсам. Думали, что трение, тормозящее ведомые колёса, будет равно силе трения, действующей на ведущие колёса. Предлагали даже делать ведущие колёса зубчатыми и прокладывать для них специальные зубчатые рельсы.

Трение скольжения.

При скольжении сила трения зависит не только от состояния трущихся поверхностей, но и от относительной скорости движения тел, причём эта зависимость от скорости является довольно сложной. Опыт показывает, что часто (хотя и не всегда) в самом начале скольжения, когда относительная скорость ещё мала, сила трения становится несколько меньше максимальной силы трения покоя. Лишь затем, по мере увеличения скорости, она растёт и начинает превосходить F тр. mах.

Вы, вероятно, замечали, что тяжёлый предмет, например ящик, трудно сдвинуть с места, а потом двигать его становится легче. Это как раз и объясняется уменьшением силы трения при появлении скольжения с малой скоростью (см. рис. 3.24).

При не слишком больших относительных скоростях движения сила трения скольжения мало отличается от максимальной силы трения покоя. Поэтому приближённо можно считать её постоянной и равной максимальной силе трения покоя:

F тр ≈ F тр. mах = μN.

Силу трения скольжения можно уменьшить во много раз с помощью смазки - чаще всего тонкого слоя жидкости (обычно того или иного сорта минерального масла) - между трущимися поверхностями.

Ни одна современная машина, например двигатель автомобиля или трактора, не может работать без смазки. Специальная система смазки предусматривается при конструировании всех машин.

Трение между слоями жидкости, прилегающими к твёрдым поверхностям, значительно меньше, чем между сухими поверхностями.

Трение качения.

Сила трения качения существенно меньше силы трения скольжения, поэтому гораздо легче перекатывать тяжёлый предмет, чем двигать его.

Сила трения зависит от относительной скорости движения тел. В этом её главное отличие от сил тяготения и упругости, зависящих только от расстояний.

Силы сопротивления при движении твёрдых тел в жидкостях и газах.

При движении твёрдого тела в жидкости или газе на него действует сила сопротивления среды. Эта сила направлена против скорости тела относительно среды и тормозит движение.

Главная особенность силы сопротивления состоит в том, что она появляется только при наличии относительного движения тела и окружающей среды.
Сила трения покоя в жидкостях и газах полностью отсутствует.

Это приводит к тому что усилием рук можно сдвинуть тяжёлое тело, например плавающую лодку, в то время как сдвинуть с места, скажем, поезд усилием рук просто невозможно.

Модуль силы сопротивления F c зависит от размеров, формы и состояния поверхности тела, свойств среды (жидкости или газа), в которой тело движется, и, наконец, от относительной скорости движения тела и среды.

Примерный характер зависимости модуля силы сопротивления от модуля относительной скорости тела показан на рисунке 3.25. При относительной скорости, равной нулю, сила сопротивления не действует на тело (F c = 0). С увеличением относительной скорости сила сопротивления сначала растёт медленно, а затем всё быстрее и быстрее. При малых скоростях движения силу сопротивления можно считать прямо пропорциональной скорости движения тела относительно среды:

F c = k 1 υ, (3.12)

где k 1 - коэффициент сопротивления, зависящий от формы, размеров, состояния поверхности тела и свойств среды - её вязкости. Вычислить коэффициент k 1 теоретически для тел сколько-нибудь сложной формы не представляется возможным, его определяют опытным путём.

При больших скоростях относительного движения сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости:

F c = k 2 υ 2 , υ, (3.13)

где k 2 - коэффициент сопротивления, отличный от k 1 .

Какую из формул - (3 12) или (3.13) - можно использовать в конкретном случае, определяется опытным путём. Например, для легкового автомобиля первую формулу желательно применять приблизительно при 60-80 км/ч, при больших скоростях следует использовать вторую формулу.