Сила трения

 

                                                  

 

 

 

                              

 

 

 

                                                         11

Виды сил  трения. 
 
Силы трения имеют электромагнитную природу, т.е. в основе сил 
трения лежат электрические силы взаимодействия молекул. Они 
зависят от скорости движения тел относительно друг друга.  
Существует 2 вида трения: сухое и жидкое.  
1.Жидкое трение – это сила, возникающая при движении твёрдого 
тела в жидкости или газе или при движении одного слоя жидкости 
(газа) относительно другого и тормозящая это движение.  
В жидкостях и газах сила трения покоя отсутствует.  
При малых скоростях движения в жидкости (газе):  
Fтр= k1v,  где k1– коэффициент сопротивления, зависящий от формы, размеров 
тела и от св-в среды. Определяется опытным путём.  
При больших скоростях движения:  
Fтр= k2v,  где k2– коэффициент сопротивления.  
2.Сухое трение – это сила, возникающая при непосредственном 
соприкосновении тел, и всегда направлена вдоль поверхностей 
соприкосновения электромагнитных тел именно разрывом молекулярных связей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                        12 
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. Возникает при микроперемещениях (например, придеформации) контактирующих тел. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного относительного движения. Однако, при движении тела в жидкости или газе сила трения покоя равна нулю!

В 1779 году французский  физик Кулон установил, от чего зависит  максимальная сила трения покоя. Оказалось, что сила трения покоя зависит  от того, с какой силой прижимаются друг к другу соприкасающиеся предметы. Также было установлено, что Трение покоя зависит от материала соприкасающихся поверхностей.

Примером силы Трения покоя может служить эскалатор  со стоящим на нем человеком. Также  эта сила проявляется в забитом в доску гвозде, завязанном банте или шнурке и т.д

Максимальная  сила трения покоя в простейшем приближении:  , где k₀ — коэффициент трения покоя, N — сила нормальной реакции опоры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

 

Трения скольжения.  

силы, возникающие между соприкасающимися телами при их относительном движении. Если между телами отсутствует жидкая или газообразная прослойка (смазка), то такое трение называется сухим. В противном случае, трение называется «жидким». Характерной отличительной чертой сухого трения является наличие трения покоя.

Опытным путём установлено, что сила трения зависит от силы давления тел друг на друга (силы реакции опоры), от материалов трущихся поверхностей, от скорости относительного движения и не зависит от площади соприкосновения. (Это можно объяснить тем, что никакое тело не является абсолютно ровным. Поэтому 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 «μ». 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:

, где

 — коэффициент трения скольжения,

 — сила нормальной реакции опоры.

По физике взаимодействия трение принято разделять на:

• Сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками — очень редко встречающийся на практике случай. Характерная отличительная черта сухого трения — наличие значительной силы трения покоя.
• Сухое с сухой смазкой (графитовым порошком)
• Жидкостное, при взаимодействии тел, разделённых слоем жидкости или газа (смазки) различной толщины — как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость;
• Смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;

 

14

 

• Граничное, когда в области контакта могут содержатся слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и т. д.) — наиболее распространённый случай при трении скольжения.

В связи со сложностью физико-химических процессов, протекающих  в зоне фрикционного взаимодействия, процессы трения принципиально не поддаются  описанию с помощью методов классической механики.

При механических процессах  всегда происходит в большей или меньшей степени преобразование механического движения в другие формы движения материи (чаще всего в тепловую форму движения). В последнем случае взаимодействия между телами носят названия сил трения.

Опыты с движением  различных соприкасающихся тел (твёрдых по твёрдым, твёрдых в жидкости или газе, жидких в газе и т. п.) с различным состоянием поверхностей соприкосновения показывают, что силы трения проявляются при относительном перемещении соприкасающихся тел и направлены против вектора относительной скорости тангенциально к поверхности соприкосновения. При этом всегда происходит нагревание взаимодействующих тел.

Силами трения называются тангенциальные взаимодействия между  соприкасающимися телами, возникающие  при их относительном перемещении. Силы трения возникающие при относительном перемещении различных тел, называются силами внешнего трения.

Силы трения возникают  и при относительном перемещении  частей одного и того же тела. Трение между слоями одного и того же тела называется внутренним трением.

В реальных движениях  всегда возникают силы трения большей  или меньшей величины. Поэтому  при составлении уравнений движения, строго говоря, мы должны в число  действующих на тело сил всегда вводить  силу трения F тр.

Тело движется равномерно и прямолинейно, когда внешняя сила уравновешивает возникающую при движении силу трения.

Для измерения силы трения, действующей на тело, достаточно измерить силу, которую необходимо приложить  к телу, чтобы оно двигалось  без ускорения.

 

15

Трение качения.

Трением качения называется сопротивление, возникающее при качении одного тела по поверхности другого. 
Рассмотрим цилиндрический каток радиуса r на горизонтальной плоскости. Под катка и плоскости в месте их соприкосновения могут возникнуть реакции, препятствующие действием активных сил каток может катиться по плоскости. Из-за деформации поверхностей не только скольжению, но и качению. 
Активные силы, действующие на катки в виде колес, обычно состоят из силы тяжести  , горизонтальной силы  , приложенной к центру катка, и пары сил с моментом  , стремящейся катить колесо. Колесо в этом случае называется ведомо-ведущим. Если  , а  , то колесо называется ведомым. Если  , а  , то колесо называется ведущим. 
Соприкосновение катка с неподвижной плоскостью из-за деформации катка и плоскости происходит не в точке, а по некоторой линии BD. По этой линии на каток действуют распределенные силы реакции. Если привести силы реакции к точке А, то в этой точке получим главный вектор   этих распределенных сил с составляющими   (нормальная реакция) и   (сила трения скольжения), а также пару сил с моментом  . Рассмотрим равновение катка. Система сил – плоская. Запишем уравнения равновесия системы сил. 

(x)   
(y)   
(M_A)   
 
Момент   называется моментом трения качения. Наибольшее значение М достигается в момент начала качения катка по плоскости. 
Установлены следующие приближенные законы для наибольшего момента пары сил, препятствующих качению. 
1. Наибольший момент пары сил, препятствующих качению, в довольно широких пределах не зависит от радиуса катка. 
2. Предельное значение момента   пропорционально нормальной реакции  . 
                                                          16 
. 
Коэффициент пропорциональности k называют коэффициентом трения качения при покое. Размерность k - это размерность длины. 
3. Коэффициент трения качения k зависит от материала катка, плоскости и физического состояния их поверхностей. Коэффициент трения качения при качении в первом приближении можно считать не зависящим от угловой скорости качения катка и его скорости скольжения по плоскости. 
Для вагонного колеса по рельсу   мм. 
Рассмотрим движение ведомого колеса.  , а  .  
Качение колеса начнется, когда выполнится условие   или   
Скольжение колеса начнется, когда выполнится условие  . 
Обычно отношение   и качение начинается раньше скольжения. 
Если  , то колесо будет скользить по поверхности, без качения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

Значение силы трения. 
Вообразим, что во всем мире некоему волшебнику удалось “выключить” трение. А теперь подумайте, к каким непредвиденным последствиям это привело бы. Во-первых, вы, разумеется, выяснили бы, что трение бывает отнюдь не всегда твердым, хотя именно от него в тысячах ситуаций стремятся избавиться. Например, смазывают детали механизмов и машин, чтобы уменьшить их износ и не терять впустую энергию, уходящую на бесполезный нагрев. Однако без трения мы не могли бы ходить, колёса машин без толку крутились бы на месте, бельевые прищепки не могли бы ничего удержать и. т. д. 
Во-вторых, продолжая теперь вместе наши фантазии, мы, в конце концов, добрались бы до причин, порождающих трение. И здесь открывается самое интересное. Во время скольжения одного предмета по другому происходит словно бы зацепление микроскопических бугорков друг за друга. Но если бы этих бугорков не было, то это не значило бы, что сдвинуть предмет или тащить его стало бы легче. Возник бы так называемый эффект прилипания, который вы легко обнаружите, пытаясь, скажем, сдвинуть стопку книг в глянцевой обложке вдоль поверхности полированного стола. 
Значит, не будь трения, не было бы этих крошечных попыток каждой частички вещества удержать подле себя соседок. Но тогда как вообще эти частички держались бы вместе? Иными словами внутри различных тел исчезло бы стремление “жить компанией”. То есть вещество развалилось бы до мельчайших деталек, как рассыпался бы на части от сотрясения домик из детского конструктора. 
Вот к какому неожиданному выводу можно придти, если допустить отсутствие трения. С трением надо бороться, но абсолютно избавиться от него не получится, да и не надо. 
К этому можно прибавить, что при отсутствии трения гвозди и винты выскальзывали бы из стен, не одной вещи нельзя было бы удержать в руках, никакой вихрь никогда бы не прекращался, никакой звук не умолка, а звучал бы бесконечным эхом, неослабно отражаясь, например, от стен комнаты. Наглядный урок, убеждающий нас в огромной важности трения, дает нам каждый раз гололедица. Застигнутые ее на улице мы оказываемся беспомощны.

 

                                                                18