Фізика сила ковзання. Сили тертя спокою та ковзання

Сила тертя – величина, з якою взаємодіють дві поверхні під час руху. Вона залежить від характеристики тіл, напрямки руху. Завдяки тертю швидкість тіла зменшується, і незабаром воно зупиняється.

Існують три сили тертя:

• спокою;
• ковзання;
• кочення.

Знаючи фізичні властивості тіл та супутні сили, що впливають на предмет, вам легко вдасться розрахувати силу тертя.

Тертя виникає при безпосередньому зіткненні тіл, перешкоджаючи їх відносному руху, і завжди спрямована вздовж дотику поверхні.

Сили тертя мають електромагнітну природу, як і сил пружності. Тертя між поверхнями двох твердих тіл називають сухим тертям. Тертя між твердим тілом і рідким або газоподібним середовищем називають в'язким тертям.

Розрізняють тертя спокою, тертя ковзанняі тертя кочення.

Тертя спокою- З'являється не тільки при ковзанні однієї поверхні по іншій, але і при спробах викликати це ковзання. Тертя спокою утримує від зісковзування вантажі, що перебувають на рухомій стрічці транспортера, утримує вбиті в дошку цвяхи і т.д.

Силою тертя спокою називають силу, що перешкоджає виникненню руху одного тіла щодо іншого, завжди спрямовану проти сили, прикладеної ззовні паралельно дотику поверхні, що прагне зрушити предмет з місця.

Чим більша сила, яка прагне зрушити тіло з місця, тим більша сила тертя спокою. Проте, для будь-яких двох тіл, що стикаються, вона має деяке максимальне значення. (F тр.п.) max, Більше якого вона бути не може, і яка не залежить від площі дотику поверхонь:

(F тр.п.) max = μ п N,

де μ п- Коефіцієнт тертя спокою, N- Сила реакції опори.

Максимальна сила тертя спокою залежить від матеріалів тіл і від якості обробки поверхонь, що стикаються.

Тертя ковзання. докладемо до тіла силу, що перевищує максимальну силу тертя спокою - тіло зрушить з місця і почне рухатися. Тертя спокою зміниться тертям ковзання.

Сила тертя ковзання також пропорційна силі нормального тиску та силі реакції опори:

F тр = μN.

Тертя кочення. Якщо тіло не ковзає по поверхні іншого тіла, а, подібно до колеса, котиться, то тертя, що виникає в місці їх контакту, називають тертям кочення. Коли колесо котиться по полотну дороги, воно весь час втискається в нього, тому перед ним постійно виявляється горбок, яких необхідно подолати. Цим і обумовлено тертя кочення. Тертя кочення тим менше, чим твердіша дорога.

Сила тертя кочення також пропорційна силі реакції опори:

F тр.кач = μ кач N,

де μ кач- Коефіцієнт тертя кочення.

Оскільки μ кач<< μ , При однакових навантаженнях сила тертя кочення набагато менше сили тертя ковзання.

Причинами виникнення сили тертя є шорсткість поверхонь тіл, що стикаються, і міжмолекулярне тяжіння в місцях контакту тертьових тіл. У першому випадку поверхні, що здаються гладкими, насправді мають мікроскопічні нерівності, які при ковзанні зачіплюються один за одного і заважають руху. У другому випадку тяжіння проявляється навіть при добре відполірованих поверхнях.

На тверде тіло, що рухається в рідині або газі, діє сила опору середовища, спрямована проти швидкості тіла щодо середовища та гальмує рух.

Сила опору середовища з'являється лише під час руху тіла у цьому середовищі. Тут немає нічого подібного до сили тертя спокою. Навпаки, предмети у воді зрушувати набагато легше, ніж на твердій поверхні.

Сила тертя (Fтр.) - це сила, що виникає при контакті поверхонь двох тіл і перешкоджає їх відносному переміщенню. Вона виникає рахунок електромагнітних сил, що виникають атомами і молекулами у місці контакту цих двох об'єктів.

Щоб зупинити об'єкт, що рухається, сила повинна діяти в протилежну по відношенню до напрямку руху сторону. Наприклад, якщо штовхнути книгу через стіл, вона почне рух. Сила, з якою ви впливали на книгу, переміщатиме її. Книга ковзає, потім уповільнюється та зупиняється через вплив сили тертя.

Особливості сил тертя

Тертя, про яке йшлося вище, що виявляється при русі об'єктів називають зовнішнім або сухим. Але воно може існувати і між частинами чи шарами одного об'єкта (рідкого чи газоподібного), такий вид називають внутрішнім.
Головною особливістю назвемо залежність тертя від швидкості відносного руху тел.
Існують інші характерні особливості:

• виникнення при контакті двох рухомих тіл поверхнями;
• її дію паралельно області зіткнення;
• спрямована протилежно до вектора швидкості тіла;
• залежить від якості поверхонь (гладкі чи шорсткі), взаємодіючих об'єктів;
• форма або розмір об'єкта, що рухається в газі чи рідині, впливають на величину сили тертя.

Види тертя

Вирізняють кілька видів. Розглянемо їх відмінності. На книгу, що ковзає по столу, діє тертя ковзання.

Сила тертя ковзання

Де N – сила реакції опори.

Зверніть увагу на деякі ситуації:

Якщо людина їде велосипедом, то тертя, що виникає під час контакту колеса з дорогою - тертя кочення. Такий вид сили значно менший за величиною сили тертя ковзання.

Сила тертя кочення

Істотно менші значення величини такого виду сили використовують люди, використовуючи колесо, ролики та кулькові підшипники у різних рухомих частинах пристроїв.

Шарль Огюстен Кулон у своїй роботі з теорії тертя запропонував обчислювати силу тертя кочення наступним чином:

де - коефіцієнт тертя кочення, R - радіус ролика або колеса, P - вага тіла.
Уявіть собі ситуацію, в якій людина намагається пересунути з місця місце диван. Людина впливає на диван деякою силою, але не може його зрушити. Це тому, що диван не прискорюється. Тобто результат дії на диван зовнішніх сил дорівнює нулю. Отже, силу людини компенсує сила, що дорівнює за величиною, але спрямована в протилежний бік. Це сила тертя спокою.

F тр. п. діє у відповідь сили, які прагнуть викликати рух стаціонарного об'єкта. Якщо нерухомий об'єкт немає зовнішнього впливу, то величина цієї сили дорівнює нулю. Якщо зовнішнє вплив з'являється (F), то сила тертя спокою зростає до максимуму, а потім тіло починає рух. Величина сили тертя ковзання практично збігається з максимумом сили тертя спокою.

,
μ - коефіцієнт тертя.
Мастило, найчастіше у вигляді тонкого шару рідини, зменшує тертя.
Рідини чи гази - це особливі середовища, у яких теж проявляється цей вид сил. У цих середовищах тертя проявляється лише під час переміщення об'єкта. Не можна говорити про силу тертя спокою у цих середовищах.

Сила тертя в рідинах та газах

Такий вид сили називають силою опору середовища. Вона уповільнює рух об'єкта. Більше обтічна форма об'єкта впливає на величину сили опору - вона значно зменшується. Тому в суднобудуванні використовуються обтічні форми корпусів кораблів або підводних човнів.
Сила опору середовища залежить від:

• геометричних розмірів та форми об'єкта;
• в'язкості рідкого або газоподібного середовища;
• стан поверхні об'єкта;
• швидкості об'єкта щодо того середовища, в якому він знаходиться.

Інструкція

Приклад задачі 3: брусок масою 1 кг зісковзнув із вершини похилої площини за 5 секунд, шлях 10 метрів. Визначте силу тертя, якщо кут нахилу площини 45о. Розгляньте також випадок, коли на брусок вплинула додаткова сила 2 Н, прикладена вздовж кута нахилу у напрямку руху.

Знайдіть прискорення тіла аналогічно до прикладів 1 і 2: а = 2*10/5^2 = 0,8 м/с2. Обчисліть силу тертя у першому випадку: Fтр = 1*9,8*sin(45о)-1*0,8 = 7,53 Н. Визначте силу тертя у другому випадку: Fтр = 1*9,8*sin(45о) +2-1 * 0,8 = 9,53 Н.

Випадок 6. Тіло рухається по похилій поверхні рівномірно. Отже, за другим законом Ньютона система перебуває у рівновазі. Якщо ковзання мимовільне, рух тіла підпорядковується рівнянню: mg*sinα = Fтр.

Якщо ж до тіла додано додаткову силу (F), що перешкоджає рівноприскореному переміщенню, вираз для руху має вигляд: mg*sinα–Fтр-F = 0. Звідси знайдіть силу тертя: Fтр = mg*sinα-F.

Джерела:

• ковзання формула

При відносному русі двох тіл з-поміж них виникає тертя. Воно також може виникнути при русі в газоподібному або рідкому середовищі. Тертя може як заважати, і сприяти нормальному руху. Внаслідок цього явища на взаємодіючі тіла діє сила.

Інструкція

Найбільш загальний випадок розглядає силуколи одне з тіл закріплене і спочиває, а інше ковзає по його поверхні. З боку тіла, по якому ковзає тіло, що рухається, на останнє діє сила реакції опори, спрямована перпендикулярно площині ковзання. Ця сила буквою N. Тіло може також спочивати щодо закріпленого тіла. Тоді сила тертя, що діє на нього Fтртертя. Він залежить від матеріалів поверхонь, що труться, ступеня їх відшліфування і ряду інших факторів.

У разі руху тіла щодо поверхні закріпленого тіла сила тертяковзання стає рівним добутку коефіцієнта тертяна силуреакції опори: Fтр =?

Якщо поверхня розташована горизонтально, то сила реакції опори по модулю дорівнює силі тяжіння, на тіло, тобто N = mg, де m - маса ковзного тіла, g - прискорення вільного , рівне приблизно 9,8 м/(с^2) на Землі . Звідси, Fтр =? mg.

Нехай тепер на тіло діє постійна сила F>Fтр = ?N, паралельна поверхні тіл, що стикаються. При ковзанні тіла результуюча складова сили в горизонтальному напрямку дорівнюватиме F-Fтр. Тоді, за другим законом Ньютона, прискорення тіла буде пов'язане з результуючою силою за формулою: a = (F-Fтр)/m. Звідси F = F-ma. Прискорення тіла можна знайти з кінематичних міркувань.

Часто розглядається окремий випадок сили тертяпри зісковзуванні тіла із закріпленою площиною. Нехай? - Кут нахилу площини і нехай тіло зісковзує рівномірно, тобто без . Тоді рівняння руху тіла виглядатимуть так: N = mg*cos?, mg*sin? = Fтр =? N. Тоді з першого рівняння руху силу тертяможна висловити як Fтр = ?mg*cos?.Якщо тіло рухається по похилій площині a, то друге рівняння матиме вигляд: mg*sin?-Fтр = ma. Тоді Fтр = mg * sin?-ma.

Відео на тему

Якщо сила, спрямована паралельно поверхні, де стоїть тіло, перевищує силу тертя спокою, то почнеться рух. Воно буде продовжуватися доти, поки рушійна сила перевищуватиме силу тертя ковзання, що залежить від коефіцієнта тертя. Розрахувати цей коефіцієнт можна самостійно.

Вам знадобиться

• Динамометр, ваги, транспортир чи кутомір

Інструкція

Знайдіть масу тіла в кілограмах та встановіть його на рівну поверхню. Приєднайте до нього динамометр і починайте рухати тіло. Робіть це в такий спосіб, щоб показники динамометра стабілізувалися, підтримуючи постійну швидкість . В цьому випадку сила тяги, виміряна динамометром, дорівнюватиме з одного боку силі тяги, яку показує динамометр, а з іншого боку силі , помноженої на ковзання.

Зроблені вимірювання дозволять визначити цей коефіцієнт з рівняння. Для цього поділіть силу тяги на масу тіла та число 9,81 (прискорення вільного падіння) μ=F/(m g). Отриманий коефіцієнт буде той самий для всіх поверхонь такого ж типу, як і ті на яких проводилося вимірювання. Наприклад, якщо тіло рухалося по дерев'яній дошці, то цей результат буде справедливий для всіх дерев'яних тіл, що рухаються ковзанням по дереву, з урахуванням якості його обробки (якщо поверхні шорсткі, значення коефіцієнта тертя ковзання зміниться).

Можна виміряти коефіцієнт тертя ковзання та іншим способом. Для цього встановіть тіло на площині, яка може змінювати свій кут щодо горизонту. Це може бути звичайна дошка. Потім акуратно починайте її за один край. У той момент, коли тіло почне рухатися, скочуючи в площині як сани з гірки, знайдіть кут її ухилу щодо горизонту. Важливо, щоб тіло у своїй не рухалося з прискоренням. У цьому випадку виміряний кут буде гранично малим, при якому тіло почне рухатися під . Коефіцієнт тертя ковзання дорівнюватиме тангенсу цього кута μ=tg(α).

Відео на тему

Сила реакції опоривідноситься до сил пружності, і завжди спрямована перпендикулярно поверхні. Вона протистоїть будь-якій силі, яка змушує тіло рухатися перпендикулярно до опори. Для того, щоб розрахувати її, потрібно виявити і дізнатися числове значення всіх сил, які діють на тіло, що стоїть на опорі.

Вам знадобиться

• - ваги;
• - спідометр чи радар;
• - Кутомір.

Інструкція

Визначте масу тіла за допомогою ваги або будь-яким іншим способом. Якщо тіло знаходиться на горизонтальній поверхні (причому неважливо, рухається воно або перебуває у стані спокою), то сила опори дорівнює силі тяжіння на тіло. Для того, щоб розрахувати її, помножте масу тіла на прискорення вільного падіння, яке дорівнює 9,81 м/с² N=m g.

Коли тіло рухається похилою площиною, спрямованою під кутом до горизонту, сила реакції опори знаходиться під кутом у силі тяжіння. При цьому вона компенсує лише ту складову сили тяжіння, яка діє перпендикулярно до похилої площини. Для розрахунку сили реакції опори за допомогою кутоміра виміряйте кут, під яким площина розташовується до горизонту. Розрахуйте силуреакції опори, перемноживши масу тіла на прискорення вільного падіння та косинус кута, під яким площина знаходиться до горизонту N=mg Cos(α).

У тому випадку, якщо тіло рухається по поверхні, яка є частиною кола з радіусом R, наприклад, міст, то сила реакції опори враховує силу, у напрямку з центру кола, з прискоренням, рівним доцентровому, що діє на тіло. Щоб розрахувати силу реакції опори у верхній точці, від прискорення вільного падіння відніміть квадрат швидкості до радіуса .

Число, що вийшло, помножте на масу тіла, що рухається N=m (g-v²/R). Швидкість має бути виміряна в метрах на секунду, а радіус у метрах. При певній швидкості значення прискорення, спрямованого від центру кола, може зрівнятися, і навіть прискорення вільного падіння, в цей момент зчеплення тіла з поверхнею зникне, тому, наприклад, автомобілістам потрібно чітко контролювати швидкість на таких ділянках дороги.

Якщо ж спрямована вниз, і траєкторія тіла увігнута, то розрахуйте силу реакції опори, додавши до прискорення вільного падіння відношення квадрата швидкості і радіусу кривизни траєкторії, а результат, що вийшов, помножте на масу тіла N=m (g+v²/R).

Джерела:

• сила опору

Рух у реальних умовах не може продовжуватися до безкінечності. Причина цього – тертя. Вона виникає при контакті тіла з іншими тілами і завжди спрямована протилежно до напрямку руху. Це означає, що сила тертязавжди виконує негативну роботу, що треба враховувати під час розрахунків.

Вам знадобиться

• - рулетка чи далекомір;
• - таблиця для визначення коефіцієнта тертя;
• - поняття про кінетичну енергію;
• - ваги;
• - Калькулятор.

Інструкція

Якщо тіло рухається рівномірно і прямолінійно, знайдіть силу, яка рухається. Вона компенсує силу тертя, Тому чисельно дорівнює їй, але убік. Виміряйте рулеткою або далекоміром відстань S, на яку сила F пересунула тіло. Тоді робота сили тертядорівнюватиме твору силина відстань зі знаком "мінус" A=-F∙S.

приклад. Автомобіль рухається дорогою рівномірно і прямолінійно. Яку роботусила тертяна дистанції 200 м, якщо сила тяги двигуна дорівнює 800 Н? При рівномірному прямолінійному сила тяги двигуна дорівнює за модулем силою тертя. Тоді її робота дорівнюватиме A=-F∙S=-800∙200=-160000 Дж або -160 кДж.

Тертя - явище, з яким ми стикаємося у повсякденному житті завжди. Визначити, тертя шкідливе чи корисне, неможливо. Зробити навіть крок на слизькому льоду представляється важким заняттям, на шорсткій поверхні асфальту прогулянка приносить задоволення. Деталі автомобілів без мастила зношуються значно швидше.

Вивчення тертя, знання основних властивостей дозволяє людині використовувати його.

Сила тертя у фізиці

Сила, що виникає при русі або спробі руху одного тіла по поверхні іншого, спрямована проти напрямку руху, прикладена до рухомих тіл, названа силою тертя. Модуль сили тертя, формула якої залежить багатьох параметрів, змінюється залежно від виду опору.

Розрізняють такі види тертя:

Ковзання;

Качення.

Будь-яка спроба зрушити з місця важкий предмет (шафа, камінь) призводить до напруги. При цьому рух предмет привести виходить не завжди. Заважає спокою.

Стан спокою

Розрахункова тертя спокою не дозволяє визначити її досить точно. З дії третього закону Ньютона величина сили опору спокою залежить від прикладеного зусилля.

У разі зростання зусилля зростає і сила тертя.

0 < F тр.покоя < F max

Не дозволяє вбитим у дерево цвяхам випадати; ґудзики, пришиті нитками, міцно утримуються на своєму місці. Цікаво, що крокувати людині дозволяє саме опір спокою. Причому спрямований він у ході руху людини, що суперечить загальному стану речей.

Явище ковзання

При зростанні зовнішньої сили, що рушить тіло, до значення найбільшої сили тертя спокою воно починає рухатися. Сила тертя ковзання розглядається в процесі ковзання одного тіла поверхнею іншого. Її значення залежить від властивостей взаємодіючих поверхонь та сили вертикальної дії на поверхню.

Розрахункова формула сили тертя ковзання: F = μР, де μ-коефіцієнт пропорційності (тертя ковзання), Р - сила вертикального (нормального) тиску.

Одна з сил, що управляють рухом - сила тертя ковзання, формула якої записується з використанням сили реакції опори. Внаслідок виконання третього закону Ньютона сили нормального тиску та реакції опори однакові за величиною та протилежні за напрямом: Р = N.

Перед тим, як знайти силу тертя, формула якої набуває іншого вигляду (F=μ N), визначають силу реакції.

Коефіцієнт опору при ковзанні вводиться експериментально для двох поверхонь, що труться, залежить від якості їх обробки і матеріалу.

Таблиця. Значення коефіцієнта опору для різних поверхонь

Найбільша сила тертя спокою, формула якої була записана вище, може бути визначена так само, як сила тертя ковзання.

Це стає важливим під час вирішення завдань визначення сили рушійного опору. Наприклад, книга, яку рухають рукою, притиснутої зверху, ковзає під впливом сили опору спокою, що виникає між рукою і книгою. Розмір опору залежить від значення сили вертикального тиску на книгу.

Явище кочення

Перехід наших предків від волокуш до колісниць вважається революційним. Винахід колеса – найбільший винахід людства. що виникає при русі колеса по поверхні, значно поступається за величиною опору ковзання.

Виникнення пов'язане із силами нормального тиску колеса на поверхню, що має природу, що відрізняє його від ковзання. Внаслідок незначної деформації колеса виникають різні за величиною сили тиску в центрі майданчика, що утворився, і по її краях. Ця різниця сил і визначає виникнення опору під час кочення.

Розрахункова формула сили тертя кочення зазвичай береться аналогічно до процесу ковзання. Відмінність видно лише у значеннях коефіцієнта опору.

Природа опору

При зміні шорсткості поверхонь, що труться, змінюється і значення сили тертя. При великому збільшенні дві дотичні поверхні виглядають як нерівності з гострими піками. При накладенні саме виступаючими частинами тіла стикаються один з одним. Загальна площа зіткнення незначна. При русі чи спробі руху тіл «піки» створюють опір. Розмір сили тертя залежить від площі поверхонь дотику.

Звісно ж, що дві ідеально гладкі поверхні повинні відчувати опору абсолютно. Насправді сила тертя у разі максимальна. Пояснюється це невідповідність природою виникнення сил. Це електромагнітні сили, що діють між атомами тіл, що взаємодіють.

Механічні процеси, що не супроводжуються тертям у природі, неможливі, адже можливості «відключити» електричну взаємодію заряджених тіл немає. Незалежність сил опору від взаємного становища тіл дозволяє назвати їх непотенційними.

Цікаво, що сила тертя, формула якої змінюється залежно від швидкості руху тіл, що взаємодіють, пропорційна квадрату відповідної швидкості. До такої сили відноситься сила в'язкого опору рідини.

Рух у рідині та газі

Переміщення твердого тіла у рідині чи газі, рідини поблизу твердої поверхні супроводжується в'язким опором. Його виникнення пов'язують із взаємодією шарів рідини, що захоплюються твердим тілом у процесі руху. Різна швидкість шарів – джерело в'язкого тертя. Особливість цього явища – відсутність рідкого тертя спокою. Незалежно від величини зовнішнього впливу тіло починає рухатися, перебуваючи в рідині.

Залежно від швидкості переміщення сила опору визначається швидкістю руху, формою тіла, що рухається, і в'язкістю рідини. Рух у воді і маслі одного і того ж тіла супроводжується різним збільшенням опором.

Для невеликих швидкостей: F = kv, де k - коефіцієнт пропорційності, що залежить від лінійних розмірів тіла та властивостей середовища, v - швидкість тіла.

Температура рідини також впливає на тертя у ній. У морозну погоду автомобіль розігрівають для того, щоб масло нагрілося (його в'язкість зменшується) і сприяло зменшенню руйнування деталей двигуна, що стикаються.

Збільшення швидкості руху

Значне збільшення швидкості тіла може спричинити появу турбулентних потоків, при цьому опір різко зростає. Значення мають: квадрат швидкості руху, щільність середовища та сили тертя набуває іншого вигляду:

F = kv 2 , де k - коефіцієнт пропорційності, що залежить від форми тіла та властивостей середовища, v - швидкість тіла.

Якщо тілу надати обтічну форму, турбулентність можна зменшити. Форма тіла дельфінів та китів - чудовий приклад законів природи, що впливають на швидкість тварин.

Енергетичний підхід

Здійснити роботу з переміщення тіла перешкоджає опір середовища. При використанні закону збереження енергії говорять, що зміна механічної енергії дорівнює роботі сил тертя.

Робота сили розраховується за формулою: A = Fscosα, де F – сила, під дією якої тіло переміщається на відстань s, α – кут між напрямками сили та переміщення.

Вочевидь, що сила опору протилежна переміщенню тіла, звідки cosα = -1. Робота сили тертя, формула якої має вигляд A тр = Fs, величина негативна. При цьому перетворюється на внутрішню (деформація, нагрівання).