Сила трения

Содержание

1. Введение

2. Сила трения

3. Трение покоя 

4. Трение скольжения

5. Трение качения

6. Историческая справка

7. Коэффициент трения 

8. Роль сил трения

9. Заключение

10. Список используемой  литературы 

1. Введение

Полезно или вредно трение? Многие, не задумываясь, отвечают: "Конечно, вредно!" И на первый взгляд они  правы. Действительно, из-за трения изнашиваются механизмы и машины, стираются  подошвы ботинок и шины автомобиля, затруднено передвижение различных  грузов, невозможно создание вечного  двигателя и многое другое. Но представьте  себе на минуту, что трение исчезло. Тогда движущийся автомобиль не сможет остановиться, а неподвижный - тронуться  с места. Пешеходы упадут на асфальт  и не смогут подняться. Кроме того, они неожиданно окажутся голыми, так  как нитки в тканях удерживаются трением. Вся мебель в комнате  собьется в один угол (в соответствии с наклоном пола), тарелки и стаканы  соскользнут со стола, гвозди и шурупы выскочат из стен, ни одну вещь нельзя будет взять в руки, вы не сможете  перевернуть страницу журнала и  т. д. и т. п. Перечень подобных "ужасов" можно продолжить до бесконечности, но и сказанного достаточно, чтобы  понять, что без трения жизнь на Земле была бы невозможна.

Вот что пишет известный швейцарский  физик, лауреат Нобелевской премии Шарль Гийом (1861-1938): "Вообразим, что трение может быть устранено совершенно. Тогда никакие тела, будь они величиною с каменную глыбу или малы, как песчинка, никогда не удержатся одно на другом: все будет скользить и катиться, пока не окажется на одном уровне. Не будь трения, Земля представляла бы шар без неровностей, подобно жидкому". К этому можно добавить, что неизвестно, как бы пошло развитие цивилизации - ведь наши предки добывали огонь трением.

 

2. Сила трения

При перемещении одного тела по поверхности  другого всегда возникает сила, препятствующая движению. Она-то и называется силой  трения. Если мы попытаемся сдвинуть с места шкаф, то сразу убедимся, что не так-то просто это сделать. Его движению будет мешать взаимодействие ножек с полом, на котором он стоит. Различают 3 вида трения: трение покоя, трение скольжения, трение качения. Мы хотим выяснить, чем эти виды отличаются друг от друга и что между ними общего?

Трение - следствие многих причин. Главные из них - две. Во-первых, поверхности  тел всегда неровны, и зазубрины  одной поверхности цепляются  за шероховатости другой. Это так  называемое геометрическое трение. Во-вторых, трущиеся тела очень близко соприкасаются  друг с другом, и на их движении сказывается  взаимодействие молекул (молекулярное трение).

Наука, изучающая трение, называется трибологией (от греческого слова "трибос", что означает трение).

 

3. Трение покоя

Для того чтобы выяснить сущность этого явления, можно провести несложный эксперимент. Положим  брусок на наклонную доску. При не слишком большом угле наклона  доски брусок может остаться на месте. Что будет удерживать его от соскальзывания вниз? Трение покоя.

Прижмем свою руку к лежащей  на столе тетради и передвинем ее. Тетрадь будет двигаться относительно стола, но покоиться по отношению  нашей ладони. С помощью чего мы заставили эту тетрадь двигаться? С помощью трения покоя тетради  о руку. Трение покоя перемещает грузы, находящиеся на движущейся ленте  транспортера, препятствует развязыванию шнурков, удерживает гвозди, вбитые в  доску, и т. д.

Сила трения покоя может  быть разной. Она растет вместе с  силой, стремящейся сдвинуть тело с  места. Но для любых двух соприкасающихся  тел она имеет некоторое максимальное значение, больше которого быть не может. Например, для деревянного бруска, находящегося на деревянной доске, максимальная сила трения покоя составляет примерно 0,6 от его веса. Приложив к телу силу, превышающую максимальную силу трения покоя, мы сдвинем тело с места, и  оно начнет двигаться. Трение покоя  при этом сменится трением скольжения.

 

4. Трение скольжения

 

Из-за чего постепенно останавливаются  санки, скатившиеся с горы? Из-за трения скольжения. Почему замедляет  свое движение шайба, скользящая по льду? Вследствие трения скольжения, направленного  всегда в сторону, противоположную  направлению движения тела. Причины  возникновения силы трения:

1) Шероховатость поверхностей  соприкасающихся тел. Даже те  поверхности, которые выглядят  гладкими, на самом деле всегда  имеют микроскопические неровности (выступы, впадины). При скольжении  одного тела по поверхности  другого эти неровности зацепляются  друг за друга и тем самым  мешают движению;

2) межмолекулярное притяжение, действующее в местах контакта  трущихся тел. Между молекулами  вещества на очень малых расстояниях  возникает притяжение. Молекулярное  притяжение проявляется в тех  случаях, когда поверхности соприкасающихся  тел хорошо отполированы. Так,  например, при относительном скольжении  двух металлов с очень чистыми  и ровными поверхностями, обработанными  в вакууме с помощью специальной  технологии, сила трения оказывается  намного сильнее, чем сила трения  между брусками дерева друг  с другом, и дальнейшее скольжение  становится невозможно.

 

5. Трение качения

 

Если тело не скользит по поверхности другого тела, а, подобно  колесу или цилиндру, катится, то возникающее  в месте их контакта трение называют трением качения. Катящееся колесо несколько вдавливается в полотно  дороги, и потому перед ним всё  время оказывается небольшой  бугорок, который необходимо преодолевать. Именно тем, что катящемуся колесу постоянно  приходится наезжать на появляющийся впереди бугорок, и обусловлено  трение качения. При этом, чем дорога тверже, тем трение качения меньше. При одинаковых нагрузках сила трения качения значительно меньше силы трения скольжения (это было замечено еще в древности). Так, ножки тяжелых  предметов, например, кроватей, роялей и т. п., снабжают роликами. В технике  для уменьшения трения в машинах  широко пользуются подшипниками качения, иначе называемыми шариковыми и  роликовыми подшипниками.

Эти виды трения относятся  к сухому трению. Мы знаем, почему книга  не проваливается сквозь стол. Но что  мешает ей соскользнуть, если стол немного  наклонен? Наш ответ - трение! Мы попытаемся объяснить природу силы трения.

На первый взгляд, объяснить  происхождение силы трения очень  просто. Ведь поверхность стола и  обложка книги шероховаты. Это  чувствуется на ощупь, а под микроскопом  видно, что поверхность твердого тела более всего напоминает горную страну. Бесчисленные выступы цепляются  друг за друга, немного деформируются  и не дают книге соскользнуть. Таким  образом, сила трения покоя вызвана  теми же силами взаимодействия молекул,, что и обычная упругость.

Если мы увеличим наклон стола, то книга начнет скользить. Очевидно, при этом начинаются «скалывание» бугорков, разрыв молекулярных связей, не способных выдержать возросшую нагрузку. Сила трения по-прежнему действует, но это уже будет сила трения скольжения. Обнаружить «скалывание» бугорков не представляет труда. Результатом такого «скалывания» является износ трущихся деталей.

Казалось бы, чем тщательнее отполированы поверхности, тем меньше должна быть сила трения. До известной  степени это так. Шлифовка снижает, например, силу трения между двумя  стальными брусками. Но не беспредельно! Сила трения внезапно начинает расти  при дальнейшем увеличении гладкости  поверхности. Это неожиданно, по все  же объяснимо.

По мере сглаживания поверхностей они все теснее и теснее прилегают  друг к другу.

Однако до тех пор, пока высота неровностей превышает несколько  молекулярных радиусов, силы взаимодействия между молекулами соседних поверхностей отсутствуют. Ведь это очень короткодействующие силы. При достижении некоего совершенства шлифовки поверхности сблизятся  настолько, что силы сцепления молекул  включатся в игру. Они начнут препятствовать смещению брусков друг относительно друга, что и обеспечивает силу трения покоя. При скольжении гладких брусков  молекулярные связи между их поверхностями  рвутся подобно тому, как у шероховатых  поверхностей разрушаются связи  внутри самих бугорков. Разрыв молекулярных связей - вот то главное, чем отличаются силы трения от сил упругости. При  возникновении сил упругости  таких разрывов не происходит. Из-за этого силы трения зависят от скорости.

Часто в популярных книгах и научно-фантастических рассказах  рисуют картину мира без трения. Так можно очень наглядно показать как пользу, так и вред трения. Но не надо забывать, что в основе трения лежат электрические силы взаимодействия молекул. Уничтожение  трения фактически означало бы уничтожение  электрических сил и, следовательно, неизбежный полный распад вещества.

Но ведь знания о природе  трения пришли к нам не сами собой. Этому предшествовала большая исследовательская  работа ученых-экспериментаторов на протяжении нескольких веков. Не все  знания приживались легко и просто, многие требовали многократных экспериментальных  проверок, доказательств. Самые светлые  умы последних столетий изучали  зависимость модуля силы трения от многих факторов: от площади соприкосновения  поверхностей, от рода материала, от нагрузки, от неровностей поверхностей и шероховатостей, от относительной скорости движения тел.

Имена этих ученых: Леонардо да Винчи, Амон-тон, Леонард Эйлер, Шарль  Кулон - это наиболее известные имена, но были еще рядовые труженики  науки. Все ученые, участвовавшие  в этих исследованиях, ставили опыты, в которых совершалась работа по преодолению силы трения.

 

6. Историческая справка

Шел 1500 год. Великий итальянский художник, скульптор и ученый Леонардо да Винчи проводил странные опыты, чем удивлял своих учеников.

Он таскал по полу то плотно свитую веревку, то ту же веревку во всю длину. Его интересовал ответ  на вопрос: зависит ли сила трения скольжения от величины площади соприкасающихся  в движении тел? Механики того времени  были глубоко убеждены, что чем  больше площадь касания, тем больше сила трения. Они рассуждали примерно так, что чем больше таких точек, тем больше сила. Совершенно очевидно, что на большей поверхности будет  больше таких точек касания, поэтому  сила трения должна зависеть от площади  трущихся тел.

Леонардо да Винчи усомнился  и стал проводить опыты. И получил  потрясающий вывод: сила трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся  тел. Попутно Леонардо да Винчи исследовал зависимость силы трения от материала, из которого изготовлены тела, от величины нагрузки на эти тела, от скорости скольжения и степени гладкости или шероховатости  их поверхности. Он получил следующие  результаты:

1. От площади не зависит.

2. От материала не зависит.

3. От величины нагрузки  зависит (пропорционально ей).

4. От скорости скольжения  не зависит.

5. Зависит от шероховатости  поверхности.

1699 год. Французский ученый Амонтон в результате своих опытов так ответил на те же пять вопросов. На первые три - так же, на четвертый - зависит. На пятый - не зависит. Получалось, и Амонтон подтвердил столь неожиданный вывод Леонардо да Винчи о независимости силы трения от площади соприкасающихся тел. Но в то же время он не согласился с ним в том, что сила трения не зависит от скорости скольжения; он считал, что сила трения скольжения зависит от скорости, а с тем, что сила трения зависит от шероховатостей поверхностей, не соглашался.

В течение восемнадцатого и девятнадцатого веков насчитывалось  до тридцати исследований на эту тему. Их авторы соглашались только в одном - сила трения пропорциональна силе нормального давления, действующей  на соприкасающиеся тела. А по остальным  вопросам согласия не было. Продолжал  вызывать недоумение даже у самых  видных ученых экспериментальный факт: сила трения не зависит от площади  трущихся тел.

1748 год. Действительный член Российской Академии наук Леонард Эйлер опубликовал свои ответы на пять вопросов о трении. На первые три - такие же, как и у предыдущих, но в четвертом он согласился с Амонтоном, а в пятом - с Леонардо да Винчи.

1779 год. В связи с внедрением машин и механизмов в производство назрела острая необходимость в более глубоком изучении законов трения. Выдающийся французский физик Кулон занялся решением задачи о трении и посвятил этому два года. Он ставил опыты на судостроительной верфи, в одном из портов Франции. Там он нашел те практические производственные условия, в которых сила трения играла очень важную роль. Кулон на все вопросы ответил - да. Общая сила трения в какой-то малой степени все же зависит от размеров поверхности трущихся тел, прямо пропорциональна силе нормального давления, зависит от материала соприкасающихся тел, зависит от скорости скольжения и от степени гладкости трущихся поверхностей. В дальнейшем ученых стал интересовать вопрос о влиянии смазки, и были выделены виды трения: жидкостное, чистое, сухое и граничное.

Правильные ответы

Сила трения не зависит  от площади соприкасающихся тел, а зависит от материала тел: чем больше сила нормального давления, тем больше сила трения. Точные измерения показывают, что модуль силы трения скольжения зависит от модуля относительной скорости.

Сила трения зависит от качества обработки трущихся поверхностей и увеличения вследствие этого силы трения. Если тщательно отполировать поверхности соприкасающихся тел, то число точек касания при  той же силе нормального давления увеличивается, а следовательно, увеличивается  и сила трения. Трение связано с  преодолением молекулярных связей между  соприкасающимися телами.

 

7. Коэффициент трения

Сила трения зависит от силы, прижимающей данное тело к  поверхности другого тела, т. е. от силы нормального давления Р и  от качества трущихся поверхностей.

В опыте с трибометром силой нормального давления служит вес бруска. Измерим силу нормального давления, равную весу чашечки с гирьками в момент равномерного скольжения бруска. Увеличим теперь силу нормального давления вдвое, поставив грузы на брусок. Положив на чашечку добавочные гирьки, снова заставим брусок двигаться равномерно.