Каковы возможные виды трения

Содержание

Виды сил трения: сравнительная характеристика и примеры

Сила трения представляет собой некую физическую величину, которая препятствует любому движению тела. Она возникает, как правило, при движении тел в твердом, жидком и газообразном веществе. Различные виды сил трения играют важную роль в жизни человека, поскольку они препятствуют чрезмерному увеличению скорости движения тел.

Причины возникновения сил трения покоя, скольжения, качения и трения в текучих субстанциях

Трение играет огромную роль в технике и в природе. Благодаря его действию движутся пешеходы и автомобили, а предметы, находящиеся на наклонных поверхностях, не соскальзывают с них. В данной статье рассмотрим физические причины возникновения сил трения.

Трение в механизмах. Законы, виды трения

Трением называется сопротивление относительному перемещению соприкасающихся и взаимодействующих тел, возникающее в зоне их контакта.

Вектор силы трения, лежит в касательной плоскости к трущимся поверхностям и направлен против скорости относительного движения.

Сила трения покоя имеет место до начала движения при действии сдвигающей силы. Величина неполной силы трения покоя равна приложенной сдвигающей силе; величина полной силы трения равна предельному значению сдвигающей силы, при котором может начаться относительное движение тел.

Сила трения движения возникает при относительном движении тел. Ее величина не зависит от движущей силы, превышение которой над силой трения вызывает ускорение движения тела.

Величины силы трения движения и предельной силы трения покоя при скольжении зависят от следующих факторов:

  • а) нормальной силы;
  • б) удельного давления на трущихся поверхностях;
  • в) скорости относительного движения;
  • г) материалов трущихся тел;
  • д) гладкости трущихся поверхностей;
  • е) смазки и загрязнения трущихся поверхностей.

Величина силы трения качения кроме перечисленных факторов зависит еще от радиусов кривизны поверхностей в месте их соприкосновения.

Сила трения и ее физическая природа

Как известно из курса физики 7 класса, если на тело не действуют никакие силы, — оно либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно, причём такое состояние будет сохраняться вечно. Однако все знают, что в реальности, если тело не подталкивать, оно рано или поздно остановится. Почему?

Дело в том, что в реальных условиях на все тела практически всегда действует особая сила, противодействующая их движению, — сила трения. Она и приводит к тому, что скорость любого движущегося тела рано или поздно уменьшается до нуля.

Физическая природа силы трения лежит во взаимодействии молекул тела с окружающей средой, а также молекул между собой. Разное сочетание такого взаимодействия создает различные виды силы трения — трение покоя, трение скольжения, трение качения, сухое и жидкое трение. И энергия движения в результате трения превращается во внутреннюю энергию тел и окружающей среды.

Сила трения

Рис. 1. Сила трения.

Классификация сил трения

В общем случае все виды сил трения описываются тремя типами: сила трения скольжения, качения и покоя. Первая является статической, две другие – динамические. Трение в покое препятствует началу движения тела, в свою очередь при скольжении трение существует, когда тело при своем движении трется о поверхность другого тела. Трение при качении возникает при перемещении круглого объекта. Приведем пример. Ярким примером вида (силы трения качения) является движение колес автомобиля по асфальту.

Сила трения покоя

Природа возникновения сил трения заключается в существовании микроскопических несовершенств между трущимися поверхностями двух тел. По этой причине результирующая сила, действующая на движущийся или начинающий движение объект, состоит из суммы силы нормальной реакции опоры N, которая направлена перпендикулярно к поверхности контактирующих тел, и из силы трения F. Последняя направлена параллельно поверхности соприкосновения и противоположна движению тела.

Какие виды трения между твердыми телами бывают

Проявление трения скольжения

В данной статье рассмотрим только примеры сил трения, которые действуют между твердыми объектами, имеющими физический контакт друг с другом.

Одним из важных видов трения является трение покоя. Исходя из самого названия, можно предположить, что оно проявляется, когда одно тело на поверхности другого покоится. Каждый знает, чтобы с места сдвинуть какой-нибудь тяжелый предмет, необходимо приложить некоторую внешнюю силу, направленную вдоль поверхности контакта этого предмета и поверхности, на которой он стоит. Противодействие этой силе оказывает сила трения покоя. Действует она между поверхностями соприкосновения тел. Трение покоя возникает из-за наличия шероховатости на касающихся поверхностях, какими бы гладкими они ни являлись.

Второй вид трения, который мы рассмотрим, это трение скольжения. Возникает оно также по причине упомянутой шероховатости, когда тела начинают движение относительно друг друга с помощью скольжения. Направление и точка приложения силы трения скольжения являются точно такими же, как для трения покоя. Единственным отличием между этими силами является то, что сила скольжения всегда меньше, чем сила покоя.

Третьим видом трения, который играет не меньшую роль в технике, чем первые два, является трение качения. Как говорит его название, появляется оно, когда одно тело катится по поверхности другого. Причина трения качения заключается в гистерезисе деформации, который приводит к “распылению” кинетической энергии катящегося тела. В ряде практических случаев эта сила трения в 10-100 и более раз меньше, чем предыдущие рассмотренные виды трения.

Все виды сил трения прямо пропорциональны силе реакции опоры, с которой последняя действует на рассматриваемое тело.

Каковы причины возникновения силы трения скольжения

Следующей силой, которую мы рассмотрим, будет сила трения скольжения. Возникает она в области контакта двух твердых поверхностей, когда тела скользят друг относительно друга. Эта сила всегда меньше по величине, чем сила трения покоя, однако от площади контакта она также не зависит.

Причины возникновения силы трения скольжения аналогичны таковым для трения покоя. Особенность скольжения заключается лишь в том, что микроскопические пики и впадины поверхностей в процессе движения не успевают сильно деформироваться и осуществить плотный механический контакт друг с другом. Поэтому сила скольжения оказывается меньше, чем сила трения в покое для одной и той же пары тел.

Скольжение лыж

Знание названой причины возникновения силы трения скольжения используется в технике для ее уменьшения или увеличения. Например, применение смазки для лыж уменьшает шероховатость их поверхности, что приводит к снижению силы трения. Наоборот, использование соли и песка на скользких дорогах призвано модифицировать поверхность в сторону увеличения ее шероховатости.

Кинетическое трение

Когда вы толкнули книгу на столе и она переместилась на определенное расстояние, то она испытала трение, воздействующее на движущиеся объекты. Эта сила известна как сила кинетического трения. Она воздействует на одну поверхность другой, когда две поверхности натирают друг друга, потому что движутся одна или обе поверхности. Если вы положите дополнительные книги поверх первой книги, чтобы увеличить нормальную силу, сила кинетического трения будет увеличиваться.

Существует следующая формула: Fтрения= μFn. Сила кинетического трения равна произведению коэффициента кинетического трения и нормальной силы. Существует линейная зависимость между этими двумя силами. Коэффициент кинетического трения связывает силу трения с нормальной силой. Раз это сила, единицей для ее измерения является Ньютон.

Предисловие

На земные объекты действует несколько сил, которые тесно взаимосвязаны между собой и влияют на жизнедеятельность тел. Прежде всего, это сила тяжести, упругости (внутреннее сопротивление тел в ответ на смещение их молекул) и реакции опоры. Но есть еще она очень важная физическая величина, называемая силой трения. Она в отличие от силы тяготения и упругости не зависит от расположения тел. При ее изучении действуют иные законы: коэффициент трения скольжения и сила реакции опоры. Например, если понадобится сдвинуть тяжеловесный шкаф, то с первой же минуты станет понятно, что сделать это непросто. Кроме того, при выполнении данной задачи присутствуют определенные помехи. Что же препятствует усилиям, приложенным к шкафу? А мешает этому не что иное, как сила трения, принцип действия которой изучают еще в школе. Курс физики за 7 класс подробно рассказывает об этом явлении.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что сила трения возникает при непосредственном контакте (соприкосновении) тел. Познакомились кратко о причинах сил трения, возникающих между контактирующими поверхностями. Получили представление о разновидностях сил трения: покоя, скольжения, качения и вязкого трения.

Законы

Обобщая экспериментальный материал о закономерностях движения, установили следующие основные законы, касающиеся трения:

  1. Сопротивление движению скольжения между двумя телами пропорционально нормальной силе, действующей между ними.
  2. Сопротивление движению между трущимися телами не зависит от площади контакта между ними.

Для демонстрации второго закона можно привести такой пример: если взять блок и перемещать его методом скольжения по поверхности, то необходимая сила для такого перемещения будет одинакова, и когда блок лежит на поверхности своей длинной стороной, и когда он стоит торцом.

Действие силы трения

Законы, касающиеся различных видов сил трения в физике, были открыты в конце XV века Леонардом да Винчи. Затем о них забыли на долгое время, и лишь в 1699 году их заново открыл французский инженер Амонтон. С тех пор законы трения носят его имя.

Почему появляется трение качения?

Еще одним видом трения между твердыми телами является трение качения. Оно проявляет себя, когда любое тело катится по поверхности, например, колесо автомобиля по асфальту.

Упругая деформация колеса

Какова причина возникновения силы трения качения? Естественно, шероховатость соприкасающихся поверхностей играет определенную роль в замедлении движения. Однако это не основная причина. Главной же причиной является деформационный гистерезис. В точке контакта колеса с поверхностью возникает некоторая небольшая упругая деформация. Когда колесо катится, каждая зона его поверхности испытывает циклическую деформационную нагрузку. Неполное восстановление исходной формы колеса после деформации называется гистерезисом. Именно он ответственен за перевод механической энергии в тепловую, что на практике проявляется в виде трения качения.

Скольжение и качение

Трение становится главной проблемой при транспортировке грузов. Первобытные люди передвигали тяжести с помощью волокуш. Волокуша скользила по земле, но сила трения оставалось значительной.

Позже люди обнаружили, что крупные грузы, например каменные глыбы, легче передвигать на круглых катках роликах. Ролики катились и трение уменьшалось, поскольку груз больше не скользил по земле. С изобретением колеса, посаженного на ось, стало ясно, что сила трения во много раз меньше силы скольжения.

Колесо в древней Индии

Тяжелые посылки двигаются под действием силы тяжести по этому слегка наклоненному роликовому конвейеру. Каждый ролик закреплен в подшипниках и вращается с малым трением, когда груз катиться по нему.

Движение посылок по конвееру

Трение между металлическими полозьями саней для бобслея и льдом очень маленькое, поскольку из-за давления металла лед в месте соприкосновения тает и образуется слой воды, играющией роль смазки.

Сила трения в бобслее

Трение может быть полезным и вредным. Когда трение полезно, его увеличивают, когда вредно — уменьшают. Для этого используют смазку, шлифовку, подшипники.

Измерение коэффициентов трения

От чего зависит сила трения? В природе и технике материалы, из которых сделаны поверхности, играют определенную роль. Например, представьте, что вы пытаетесь играть в баскетбол, нося носки вместо спортивной обуви. Это может значительно ухудшить ваши шансы на победу. Обувь помогает обеспечить силу, необходимую для торможения и быстрого изменения направлений во время бега по поверхности. Между вашей обувью и баскетбольной площадкой трения больше, чем между вашими носками и полированным деревянным полом.

Различные коэффициенты показывают, как легко один объект может скользить по сравнению с другим. Точные их измерения достаточно чувствительны к условиям поверхностей и определяются экспериментально. Влажные поверхности ведут себя совершенно иначе, чем сухие поверхности.

Вред трения скольжения

Примеры действия силы трения скольжения – это движение шкафа по полу, когда мы хотим переставить его в комнате, скольжение лыжника и конькобежца, проскальзывание колес автомобиля при их блокировки или при движении по скользкой дороге, проскальзывание между трущимися деталями механизмов различных машин.

Вред силы трения скольжения

Во всех названных случаях трение скольжения играет вредную роль. Названные примеры вреда силы трения скольжения связаны с тем, что она препятствует механическому движению и “съедает” некоторую долю кинетической энергии (лыжи, коньки, движущиеся части машин). Кроме того, перевод части механической энергии в тепловую приводит к разогреву трущихся деталей. Повышение же их температуры приводит к изменению микроскопической структуры, что нарушает свойства материалов. Наконец, перечисленные примеры силы трения скольжения приводят к износу трущихся поверхностей, появлению на них нежелательных борозд, утончению.

Почему в покое сила трения больше таковой при скольжении?

При рассмотрении нескольких видов сил трения (покоя и скольжения) следует отметить, что статическая сила трения всегда меньше или равна произведению коэффициента трения покоя на силу реакции опоры. Коэффициент трения определяется экспериментальным путем для этих трущихся материалов и заносится в соответствующие таблицы.

Динамическая сила вычисляется точно так же, как и статическая. Только в этом случае используют коэффициент трения именно для скольжения. Трения коэффициент обычно обозначается греческой буквой μ (мю). Таким образом, общая формула для обеих сил трения имеет вид: Fтр = μ * N, где N – сила реакции опоры.

Статическая и кинетическая сила

Точно не установлена природа различия между этими видами сил трения. Однако большинство ученых полагают, что сила трения покоя больше таковой для скольжения, потому что когда тела находятся некоторое время в покое относительно друг друга, между их поверхностями могут образоваться ионные связи или микросплавления отдельных точек поверхностей. Эти факторы и вызывают увеличение статического показателя.

Примером нескольких видов силы трения и их проявления является поршень в цилиндре двигателя автомобиля, который “припаивается” к цилиндру, если двигатель долго не работает.

Причина трения при движении в газах и жидкостях

Движение молекул газа

Каждый знает, что такое ветер и морские течения. С точки зрения физики эти процессы представляют собой направленное движение огромного числа атомов и молекул, из которых состоят текучие субстанции. Причина возникновения силы трения в этих субстанциях заключается в многочисленных соударениях с молекулами газов и жидкостей твердого тела при его движении в текучих субстанциях. Каждая молекула при столкновении с телом передает ему импульс, направленный против вектора перемещения. Величина этого импульса невелика, однако число молекул огромно, поэтому результирующая сила трения носит макроскопический характер.

Физика: сила трения природе и технике

Вы испытываете трение все время, и вы должны быть рады, что это возможно. Именно эта сила помогает сохранять неподвижные объекты на месте, а человеку не падать при ходьбе. Что такое трение? В природе и технике примеры можно встретить на каждом шагу. Вы можете этого не осознавать, но вы уже хорошо знакомы с этой силой. Оно происходит в направлении, противоположном движению, и из-за этого это сила, которая влияет на движение объектов.

Когда вы передвигаете коробку по полу, трение работает против коробки в направлении, противоположном движению коробки. Когда вы идете вниз по горе, трение работает против вашего движения вниз. Когда вы нажимаете на тормоз в машине и двигаетесь еще какое-то время, трение работает против вашего направления скольжения, что помогает в конечном итоге полностью остановить скольжение.

Когда два объекта “втираются” друг в друга, устанавливаются силы притяжения между молекулами объектов, вызывая трение. В природе и технике оно может происходить между практически любыми фазами материи – твердыми веществами, жидкостями и газами. Трение происходит между двумя объектами, такими как коробка и пол, но также может происходить между рыбой и водой, в которой они плавают, и предметами, падающими в воздухе. Трение из-за воздуха имеет особое название: сопротивление воздуха.

Трение качения и его вред и польза

Современные подшипники

Если рассмотреть в корне вопрос пользы силы трения качения, то окажется, что ее нет вовсе. Действительно, трение качения всегда препятствует механическому вращению, оно приводит к износу рабочих деталей и к их нежелательному нагреву. Тем не менее явление качения широко используется в технике (подшипники, колеса транспортных средств). Объясняется это тем, что сила трения качения намного меньше аналогичной силы скольжения, что на порядки снижает масштаб ее вредного влияния.

Скользящее по горизонтали тело

Получим уравнение движения для тела, которое под действием внешней силы Fв начинает перемещаться по поверхности путем скольжения. В данном случае воздействуют следующие силы на тело:

  • Fв – внешняя сила;
  • Fтр – трения сила, которая противоположна по направлению силе Fв;
  • N – сила реакции опоры, которая равна по модулю весу тела P и направлена к поверхности, то есть под прямым углом к ней.

Скольжение бруска

Учитывая направления всех сил, запишем второй закон Ньютона для этого случая движения: Fв – Fтр = m * a, где m – масса тела, a – ускорение движения. Зная, что Fтр = μ * N, N = P = m * g, где g – ускорение свободного падения, получим: Fв – μ * m * g = m * a. Откуда, выражая ускорение, с которым движется скользящее тело, получаем: a = Fв / m – μ * g.

Научное обоснование

Для того чтобы передвинуть шкаф, необходимо приложить к нему силу, которая превзойдет трение. То есть до тех пор, пока применяемые усилия меньше показателя силы трения, мебель останется на месте. Помимо указанных факторов, есть еще сила реакции опоры, которая направленна перпендикулярно плоскости. Она зависит от материала, из которого сделан пол (здесь задействована также сила упругости). Также существует коэффициент трения, зависящий от того, из чего состоят обе поверхности, взаимодействующие друг с другом. Поэтому сила трения, действующая на шкаф, равняется коэффициенту трения, который умножается на силу реакции опоры (поверхности).

Роль трения в природе, технике, жизни

Трение является неотъемлемой частью человеческого опыта. Нам нужна тяга, чтобы ходить, стоять, работать и ездить. В то же время нам нужна энергия, чтобы преодолеть сопротивление движению, поэтому слишком много трения требует избыточной энергии для выполнения работы, что приводит к неэффективности. В 21 веке человечество столкнулось с двойной проблемой нехватки энергии и глобального потепления от сжигания ископаемого топлива. Таким образом, способность контролировать трение стала сегодня главным приоритетом в современном мире.Тем не менее у многих понимание фундаментальной природы трения все еще отсутствует.

Трение в природе и технике (физика) всегда было предметом любопытства. Интенсивное изучение происхождения этой силы началось в 16 веке, после новаторской работы Леонардо да Винчи. Однако прогресс в понимании его природы был медленным, что затруднялось отсутствием инструмента для точного измерения. Гениальные эксперименты, выполненные ученым Кулоном и другими, дали важную информацию, чтобы заложить основу для понимания. Начиная с конца 1800-х и начала 1900-х годов появились паровые двигатели, локомотивы, а затем самолеты. Также освоение космоса требует четкого понимания трения и способности контролировать его.

Значительный прогресс в том, как применять и контролировать трение в природе технике, в быту, был сделан путем проб и ошибок. В начале 21 века появилось новое измерение нано-масштабного трения в связи с использованием нано-технологий. Человеческое понимание атомного и молекулярного трения быстро расширяется. Сегодня энергоэффективность и производство возобновляемых источников энергии требуют непосредственного внимания, в то время как наука стремится к сокращению выбросов углерода. Способность контролировать трение становится важным шагом в поиске устойчивых технологий. Именно оно является показателем энергоэффективности. Если получится уменьшить ненужные потери энергии и увеличить текущую эффективность использования энергии, это даст время для разработки альтернативных источников энергии.

Движение твердого тела в жидкости

При рассмотрении вопроса о том, какие виды силы трения существуют, следует упомянуть важное явление в физике, которое заключается в описании того, как в жидкости движется твердое тело. В данном случае речь идет об аэродинамическом трении, которое определяется в зависимости от скорости движения тела в жидкости. Существует два вида движения:

  • Когда твердое тело движется с небольшой скоростью, говорят о ламинарном движения. Сила трения при ламинарном движении оказывается пропорциональной скорости. Примером является закон Стокса для сферических тел.
  • Когда движение тела в жидкости происходит с большей скоростью, чем некоторое пороговое значение, то вокруг тела начинают появляться завихрения из потоков жидкости. Эти завихрения создают дополнительную силу, препятствующую движению, и в итоге сила трения оказывается пропорциональной квадрату скорости.

Закон Стокса

Приведите примеры,когда трение является полезным и когда оно является вредным?

Елена зеленцоваПолезные: сила трения резины автомобильного колеса об асфальт, колеса поезда о металл рельса, сила трения пенькового каната о металл при швартовке судна, сила сцепления ниток друг с другом и тканью при пришивании пуговиц, трение подошвы ботика о землю при ходьбе, сила трения покоя, благодаря которой книги, ручки и пр. могут лежать на наклонной поверхности. Вредные: трение песчинок о металл внутри подшипника, трение скольжения коньков о лед должно быть как можно меньше, трение механизмов дверного замка уменьшают путём графитовой смазки.

T!MВот, если бы не было трения, то ты бы съехал (а) со стула на пол, потом заскользил бы по полу, скользил бы по стенам и т. д. и так не только с тобой, но и со всеми окружающими предметами. Т. к. этого не происходит, следовательно, это полезное трение. А вот, например, в механизмах (автомобили, станки и т. д. и т. п. ) трение приводит к износу – это вредно)))Виктор ЛыскоОпытным путём установлено, что сила трения зависит от силы давления тел друг на друга (силы реакции опоры), от материалов трущихся поверхностей, от скорости относительного движения. Так как никакое тело не является абсолютно ровным, сила трения не зависит от площади соприкосновения, и истинная площадь соприкосновения гораздо меньше наблюдаемой; кроме того, увеличивая площадь, мы уменьшаем удельное давление тел друг на друга. Величина, характеризующая трущиеся поверхности, называется коэффициентом трения, и обозначается чаще всего латинской буквой k или греческой буквой mu . Она зависит от природы и качества обработки трущихся поверхностей. Кроме того, коэффициент трения зависит от скорости. Впрочем, чаще всего эта зависимость выражена слабо, и если большая точность измерений не требуется, то k можно считать постоянным. В первом приближении величина силы трения скольжения может быть рассчитана по формуле: k — коэффициент трения скольжения, N — сила нормальной реакции опоры.

Трение скольжения

Итак, чтобы пересилить трение, мы попросили кого-нибудь нам помочь сдвинуть шкаф с места. Что мы обнаружили? Что после того, как мы приложили силу, которая превысила силу трения покоя, шкаф не только сместился, но и некоторое время продолжал двигаться в необходимую сторону, разумеется, с нашей помощью. А потраченные усилия были примерно одинаковы в течение всего пути. В этом случае нам препятствовала сила трения скольжения, направленная в противоположную от приложенного воздействия сторону. Стоит заметить, что ее сопротивление гораздо ниже, нежели у силы трения покоя. Чтобы снизить этот показатель, при необходимости применяются различные смазочные материалы.

Коэффициент качения

В соответствии с формулой для этого вида силы трения получаем, что коэффициент трения качения μк имеет размерность длины. Главным образом он зависит от природы контактирующих тел. Величина, которая определяется отношением коэффициента трения качения к радиусу, называется коэффициентом качения, то есть Cк = μк / R – безразмерная величина.

Подшипники качения

Коэффициент качения Cк значительно меньше коэффициента трения скольжения μтр. Поэтому при ответе на вопрос о том, при каком виде трения сила наименьшая, можно смело называть силу трения качения. Благодаря этому факту изобретение колеса считается важным шагом технического прогресса человечества.

Коэффициент качения является характеристикой конкретной системы и зависит от следующих факторов:

Когда полезна, а когда вредна сила трения.

Helgaесли бы не было трения, мы не могли бы ходить по земле (вспомните, как скользят ноги на льду) , нельзя было бы ездить на велосипеде, автомобиле, мотоцикле (колеса вертелись бы на месте) , нам нечего было бы носить (нитки в ткани держатся силами трения) . Если не было бы трения, вся мебель в комнате сбилась бы в один угол, тарелки, ста-капы и блюдца соскальзывали бы со стола, гвозди и шурупы не держались бы в стене, ни одной вещи нельзя было бы удержать в руках и т. д. и т. п. К этому можно добавить, что, если бы не было трения, неизвестно, как пошло бы развитие цивилизации на Земле — ведь наши предки добывали огонь трением. Перечень подобных «ужасов» можно продолжать до бесконечности, но и так ясно, что трение — явление отнюдь не вредное. Оно вредно только в машинах, и инженеры борются там с ним, применяя шарикоподшипники, смазку и т. п.

СтаниславПолезна – когда тормозишь, едя на машине, когда вбиваешь гвоздь в стену, когда занимаешься сексом, когда пишешь карандашом, когда пытаешься добыть огонь трением.. . Вредна – сильно уменьшает КПД двигателей.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Егор Новиков
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий