Автор Кислицын Николай Сергеевич
Магистр физико-математического факультета
Вятского государственного гуманитарного университета.
2011
Сила трения.
В младших классах вы уже изучали силы трения.
Назовите мне три вида трения.
Трение покоя, трение скольжения, трение покоя.
Когда возникает трение покоя?
Когда соприкасающиеся тела не движутся относительно друг друга.
А как понять, что эта сила существует, ведь тела то не движутся? Существование силы трения легко показать с помощью следующего примера. На столе лежит книга, я пытаюсь её легонько толкнуть пальцем, но книга не двигается. Вопрос - почему, ведь я прикладываю к книге силу, которая должна по второму закону Ньютона сообщить телу ускорение? Ответ возможен лишь один, на книгу действует другая сила, которая противоположно направлена моей силе, и пока книга не движется, эта сила равна по модулю моей приложенной к книге силе.
Почему же возникает сила трения, ведь стол и книга относительно гладкие. Какова же природа силы трения?
Книга и стол не являются абсолютно гладкими, и имеет не ровности, или микро выступы. Когда мы книгу кладем на стол, то микро выступы книги сближаются с микро выступами стола на столь малое расстояние, что атомы этих двух тел начинают взаимодействовать, взаимно притягиваться, т. е. между ними возникают электромагнитные силу. Силы трения имеют электромагнитную природу. Именно притяжение атомов книги и стола не дает сдвинуть книгу с места.
Если я буду увеличивать силу, действующую на книгу, с целью разорвать эти электромагнитные связи, то при достижении критического значения силы трения книга сдвинется с места. Это критическое значение называется максимальная сила трения покоя 
.
Она зависит от количества выступов n, и от чего ещё должна зависеть?
От силы давления на книгу, т. е. 
.
Кто помнит формулу для нахождения давления?
Чему пропорционально количество выступов?
Поэтому 
, сокращяем S, и видим, что 
не зависит от S площади соприкосновения поверхностей. Если я положу сначала книгу на стол боком, потом ребром, потом другим ребром, и в каждом опыте буду тянуть книгу динамометром, то динамометр покажет одно и тоже значение . При условии, что материал которым будет соприкасаться книга со столом будет одним и тем же, т. е. картонка обложки.
Что такое F? Это сила, с которой я действую на книгу, а значит сила с которой книга действует на стол, т. е. это вес тела. А по третьему закону Ньютона P=N, отсюда 
.
Как избавиться от знака ~ ?
Подставить в формулу какую-нибудь константу, ученые подставили μ. 
, где μп-коэфициент трения покоя.
От чего зависит μп?
· От характера обработки соприкасающихся материалов
· Сочетания материалов
Когда я начну увеличивать силу, действующую на книгу, и сила трения достигнет своего максимального значения, то связи атомов на выступах разорвутся, и книга начинает скользить по столу. Кокой вид трения начинает действовать в этот момент?
Трение скольжения.
А трение скольжения меньше max трения покоя или нет?
И да, и нет. Смотрите на график. В начальный момент, при малых скоростях трение скольжения меньше максимального трения покоя, это объясняется тем, что связи на выступах между атомами разорвались, но сила трения все ещё существует, а это объясняется тем, что связи образуются вновь. При дальнейшем увеличении скорости трение уменьшается, но потом при больших скоростях начинает увеличиваться.
, где μ- коэффициент трения скольжения, причем μ<μп
Когда возникает трение качения?
Когда одно тело катится по поверхности другого, например, колесо по дороге. Кто помнит, сколько примерно лет назад было изобретено колесо?
5000 лет назад, это считают самым гениальным изобретением человечества. Потому что сила, которую нужно приложить к телу, что бы заставить его катиться намного меньше силы, которую нужно приложить к телу, что бы заставить его скользить. Это объясняется тем, что при качении связи между атомами на выступах разрываются быстрее, чем при скольжении.
, где μкач – коэффициент трения качения, причем μкач<<μ.
Например, μкач стального колеса вагона о рельсы, μкач = 0,001. А это в 400 раз меньше чем μ скольжения сталь-сталь. Стоит задуматься.
μкач<μ<μп
Силы сопротивления при движении твердых тел в жидкостях и газах.
Как вы думаете, почему тяжелую баржу массой в 10 тонн на озере можно сдвинуть усилием рук, а сейф массой в три центнера нет?
Что бы сдвинуть сейф нам надо преодолеть , а чтобы сдвинуть баржу нам не надо её преодолевать, т. к. Сила трения покоя в жидкостях и газах полностью отсутствует.
А если силы трения покоя в жидкостях и газах нет, то это значит, что силы сопротивления появляются только при… При каком условии?
Силы сопротивления появляются только при относительном движении тел в окружающей среде. А силы трения между твердыми телами, о которых мы только что говорили, могут появляться и при отсутствии относительного движения.
Если сила сопротивления появляется при движении, то от чего она может зависеть?
Она зависит от скорости. Примерный характер зависимости вы можете посмотреть на графике.
Как вы видите, при малых скоростях сопротивление растет медленно, но при больших скоростях сопротивление начинает расти быстрее.
Поэтому запишите.
сила сопротивления при малых скоростях.
сила сопротивления при больших скоростях.
K1,2 – коэффициент сопротивления
Как вы думаете, от чего должен зависеть коэффициент сопротивления?
· Размеров
· Формы
· Состояния поверхности тела