Каковы причины возникновения силы трения скольжения кратко

Обновлено: 04.07.2024

К примеру, когда велосипедист крутит педали – велосипед едет, а когда не крутит – велосипед начинает тормозить и вскоре, останавливается.

Сани, скатившись с горы, постепенно теряют скорость и вскоре останавливаются.

Мы знаем, что причиной всякого изменения скорости движения (в данном случае уменьшения) является сила. Значит, и в рассмотренных примерах на каждое движущееся тело действовала сила.

Существуют разные, уже изученные нами ранее силы: сила тяжести, сила упругости, вес тела. В приведённых выше примерах фигурировала сила трения.

Итак, разберём это понятие:

Сила трения – это сила, возникающая при взаимодействии двух тел и препятствующая их относительному движению.

Обозначается она буквой $F$ с индексом, т. е. следующим образом:

Причины возникновения трения

1. Шероховатость поверхностей тел

Гладкие на ощупь тела тоже имеют неровности, бугорки и царапины.

С помощью современных лазерных микроскопов сейчас можно увидеть даже самые незаметные неровности. Например, на рисунке 2 вы можете увидеть изображение поверхность листа стали, прошедшего обработку. Для наших невооруженных глаз такой стальной лист будет казаться идеально гладким, но это не так.

Рисунок 2. Поверхность стального листа под лазерным микроскопом.

Из-за этого, когда одно тело скользит или катится по поверхности другого, эти неровности цепляются друг за друга. Это создает силу, препятствующую движению.

2. Взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел

Другая причина возникновения трения — взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел. Если поверхности тел идеально гладкие, то при соприкосновении молекулы тел находятся очень близко друг к другу. В этом случае заметно проявляется притяжение между молекулами тел (рисунок 3).

Изменение силы трения. Смазка

Силу трения можно уменьшить во много раз, если ввести между трущимися поверхностями смазку, слой которой разъединяет поверхности трущихся тел (рисунок 4). В этом случае соприкасаются не поверхности тел, а слои смазки. Смазка же в большинстве случаев жидкая, а, как известно, трение жидких слоёв меньше, чем твёрдых.

Рисунок 4. Уменьшение силы трения с помощью смазки

Например, на коньках малое трение при скольжении по льду объясняется также действием смазки: смазкой в этом случае является вода, образующаяся между коньками и льдом тонким слоем.

Именно из-за маленького трения жидкости мы подскальзываемся на вымытом полу. В технике благодаря меньшему трению жидкости в качестве смазки широко применяют различные масла.

Виды трения

Если одно тело скользит по поверхности второго, то возникает особое трение – трение скольжения. Оно возникает, к примеру, при движении саней или лыж по снегу, при скольжении коньков по льду (рисунок 5).

Если же первое тело не скользит, а катится по поверхности второго, то возникающее при этом трение называют иначе – трением качения.

Оно проявляется при перекатывании бревна или бочки по земле, при движении автомобиля, велосипеда и других транспортных средств на колёсах (рисунок 6).

Рисунок 6. Примеры трения качения

Измерение силы трения

Силу трения можно не только изменить, применяя смазку, как было сказано ранее, но ещё и измерить. Возьмём деревянный брусок, прикрепим к ним динамометр и будем его двигать, держа динамометр горизонтально (рисунок 7). Что покажет динамометр?

Рисунок 7. Измерение сила трения

На брусок в горизонтальном направлении действует 2 силы: сила упругости пружины динамометра, направленная в cторону движения, и сила трения, направленная против движения.

Брусок движется равномерно, значит эти 2 силы компенсируют друг-друга (их равнодействующая равна 0). Следовательно, эти 2 силы равны по модулю, но имеют разные направления.

Таким образом, динамометр показывает силу, равную по модулю силе трения.

Измеряя силу, с которой динамометр действует на тело при равномерном движении, мы измеряем силу трения.

Какие сани легче тащить, с грузом или без? Если мы положим на брусок какой-нибудь груз, и таким же образом измерим силу трения, то увидим, что она больше, чем у бруска без груза.

Чем больше сила, прижимающая тело к поверхности, тем больше возникающая при этом сила трения.

Положив брусок на круглые палочки, мы измерим силу трения качения. Она будет меньше силы трения скольжения.

При равных нагрузках сила трения качения всегда меньше силы трения скольжения.

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.

Причины появления силы трения покоя

В физике рассматривают несколько видов сил трения. Начнем с обсуждения трения покоя. Оно представляет собой контактное взаимодействие между двумя твердыми поверхностями, которое препятствует любому их относительному смещению. Например, чтобы сдвинуть шкаф или коробок с места, необходимо преодолеть эту силу.

Причинами возникновения силы трения покоя являются шероховатость контактирующих поверхностей и слабые электрохимические взаимодействия между атомами и молекулами, образующими рассматриваемые тела.

Любая твердая поверхность, насколько бы гладкой она ни являлась, имеет микроскопические пики и впадины неправильной формы. Когда одно тело покоится на поверхности другого, то некоторые пики первого тела попадают во впадины второго, и наоборот. Возникает более или менее эффективное механическое сцепление поверхностей. Очевидно: чтобы сдвинуть рассматриваемые объекты, необходимо будет преодолеть это сцепление.

Помимо механической причины, вклад в трение покоя вносит также электрохимическое взаимодействие атомов и молекул разных тел. Это взаимодействие может носить дипольный или ионный (кулоновский) характер.

Отметим, что изложенные причины и механизм появления трения покоя объясняют, почему соответствующая сила от площади соприкосновения тел не зависит. Когда эта площадь велика, то деформация пиков и впадин незначительна, что уменьшает эффективность одного микроскопического контакта. Однако таких контактов много. Если тело перевернуть так, чтобы площадь соприкосновения стала меньше, то деформация пары пик-впадина становится больше, повышается эффективность контакта, однако самих контактов становится меньше.

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.

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.

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.

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.

Причина трения при движении в газах и жидкостях

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.

Трение — это взаимодействие, которое возникает в плоскости контакта поверхностей соприкасающихся тел.
Сила трения — это величина, которая характеризует это взаимодействие по величине и направлению.

Основная особенность: сила трения приложена к обоим телам, поверхности которых соприкасаются, и направлена в сторону, противоположную мгновенной скорости движения тел друг относительно друга. Поэтому тела, свободно скользящие по какой-либо горизонтальной поверхности, в конце концов остановятся. Чтобы тело двигалось по горизонтальной поверхности без торможения, к нему надо прикладывать усилие, противоположное и хотя бы равное силе трения. В этом заключается суть силы трения.

Откуда берётся трение

Трение возникает по двум причинам:

Все тела имеют шероховатости. Даже у очень хорошо отшлифованных металлов в электронный микроскоп видны неровности. Абсолютно гладкие поверхности бывают только в идеальном мире задач, в которых трением можно пренебречь. Именно упругие и неупругие деформации неровностей при контакте трущихся поверхностей формируют силу трения.
Между атомами и молекулами поверхностей тел действуют электромагнитные силы притяжения и отталкивания. Таким образом, сила трения имеет электромагнитную природу.

Виды силы трения

В зависимости от вида трущихся поверхностей, различают сухое и вязкое трение. В свою очередь, оба подразделяются на другие виды силы трения.

Сухое трение возникает в области контакта поверхностей твёрдых тел в отсутствие жидкой или газообразной прослойки. Этот вид трения может возникать даже в состоянии покоя или в результате перекатывания одного тела по другому, поэтому здесь выделяют три вида силы трения:

трение скольжения,
трение покоя,
трение качения.

Вязкое трение возникает при движении твёрдого тела в жидкости или газе. Оно препятствует движению лодки, которая скользит по реке, или воздействует на летящий самолёт со стороны воздуха. Интересная особенность вязкого трения в том, что отсутствует трение покоя. Попробуйте сдвинуть пальцем лежащий на земле деревянный брус и проделайте тот же эксперимент, опустив брус на воду. Чтобы сдвинуть брус с места в воде, будет достаточно сколь угодно малой силы. Однако по мере роста скорости силы вязкого трения сильно увеличиваются.

Сила трения покоя

Рассмотрим силу трения покоя подробнее.

Обычная ситуация: на кухне имеется холодильник, его нужно переставить на другое место.

Когда никто не пытается двигать холодильник, стоящий на горизонтальном полу, трения между ним и полом нет. Но как только его начинают толкать, коварная сила трения покоя тут же возникает и полностью компенсирует усилие. Причина её возникновения — те самые неровности соприкасающихся поверхностей, которые деформируясь, препятствуют движению холодильника. Поднатужились, увеличили силу, приложенную к холодильнику, но он не поддался и остался на месте. Это означает, что сила трения покоя возрастает вместе с увеличением внешнего воздействия, оставаясь равной по модулю приложенной силе, ведь увеличиваются деформации неровностей.

Пока силы равны, холодильник остаётся на месте:

Сила трения, которая действует между поверхностями покоящихся тел и препятствует возникновению движения, называется силой трения покоя

Сила трения скольжения

Что же делать с холодильником и можно ли победить силу трения покоя? Не будет же она расти до бесконечности?

Зовём на помощь друга, и вдвоём уже удаётся передвинуть холодильник. Получается, чтобы тело двигалось, нужно приложить силу, большую, чем самая большая сила трения покоя:

Теперь на движущийся холодильник действует сила трения скольжения. Она возникает при относительном движении контактирующих твёрдых тел.

Итак, сила трения покоя может меняться от нуля до некоторого максимального значения — Fтр. пок. макс И если приложенная сила больше, чем Fтр. пок. макс, то у холодильника появляется шанс сдвинуться с места.

Теперь, после начала движения, можно прекратить наращивать усилие и ещё одного друга можно не звать. Чтобы холодильник продолжал двигаться равномерно, достаточно прикладывать силу, равную силе трения скольжения:

Как рассчитать и измерить силу трения

Чтобы понять, как измеряется сила трения, нужно понять, какие факторы влияют на величину силы трения. Почему так трудно двигать холодильник?

Самое очевидное — его масса играет первостепенную роль. Можно вытащить из него все продукты и тем самым уменьшить его массу, и, следовательно, силу давления холодильника на опору (пол). Пустой холодильник сдвинуть с места гораздо легче!
Следовательно, чем меньше сила нормального давления тела на поверхность опоры, тем меньше и сила трения. Опора действует на тело с точно такой же силой, что и тело на опору, только направленной в противоположную сторону.

Сила реакции опоры обозначается N. Можно сделать вывод

Второй фактор, влияющий на величину силы трения, — материал и степень обработки соприкасающихся поверхностей. Так, двигать холодильник по бетонному полу гораздо тяжелее, чем по ламинату. Зависимость силы трения от рода и качества обработки материала обеих соприкасающихся поверхностей выражают через коэффициент трения.

Он чаще всего попадает в интервал от нуля до единицы, не имеет размерности и определяется экспериментально.

Можно предположить, что сила трения зависит также от площади соприкасающихся поверхностей. Однако, положив холодильник набок, мы не облегчим себе задачу.

Ещё Леонардо да Винчи экспериментально доказал, что сила трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей при прочих равных условиях.

Сила трения скольжения, возникающая при контакте твёрдого тела с поверхностью другого твёрдого тела прямо пропорциональна силе нормального давления и не зависит от площади контакта.

Этот факт отражён в законе Амонтона-Кулона, который можно записать формулой:

где μ — коэффициент трения, N — сила нормальной реакции опоры.

Для тела, движущегося по горизонтальной поверхности, сила реакции опоры по модулю равна весу тела:

Сила трения качения

Ещё древние строители заметили, что если тяжёлый предмет водрузить на колёсики, то сдвинуть с места и затем катить его будет гораздо легче, чем тянуть волоком. Вот бы пригодилась эта древняя мудрость, когда мы тянули холодильник! Однако всё равно нужно толкать или тянуть тело, чтобы оно не остановилось. Значит, на него действует сила трения качения. Это сила сопротивления движению при перекатывании одного тела по поверхности другого.

Причина трения качения — деформация катка и опорной поверхности. Сила трения качения может быть в сотни раз меньше силы трения скольжения при той же силе давления на поверхность. Примерами уменьшения силы трения за счёт подмены трения скольжения на трение качения служат такие приспособления, как подшипники, колёсики у чемоданов и сумок, ролики на прокатных станах.

Направление силы трения

Сила трения скольжения всегда направлена противоположно скорости относительного движения соприкасающихся тел. Важно помнить, что на каждое из соприкасающихся тел действует своя сила трения.

Бывают ситуации, когда сила трения не препятствует движению, а совсем наоборот.

Представьте, что на ленте транспортёра лежит чемодан. Лента трогается с места, и чемодан движется вместе с ней. Сила трения между лентой и чемоданом оказалась достаточной, чтобы преодолеть инерцию чемодана, и эти тела движутся как одно целое. На чемодан действует сила трения покоя, возникающая при взаимодействии соприкасающихся поверхностей, которая направлена по ходу движения ленты транспортёра.

Если бы лента была абсолютно гладкой, то чемодан начал бы скользить по ней, стремясь сохранить своё состояние покоя. Напомним, что это явление называется инерцией.

Сила трения покоя, помогающая нам ходить и бегать, также направлена не против движения, а вперёд по ходу перемещения. При повороте же автомобиля сила трения покоя и вовсе направлена к центру окружности.

Для того чтобы понять, как направлена сила трения покоя, нужно предположить, в каком направлении стало бы двигаться тело, будь поверхность идеально гладкой. Сила трения покоя в этом случае будет направлена как раз в противоположную сторону. Пример, лестница у стены.

Подведём итоги

Сила трения покоя меняется от нуля до максимального значения 0

Ответ задачи зависит от того, сдвинется ли брусок под действием внешнего воздействия. Поэтому вначале узнаем значение силы, которую нужно приложить к бруску для скольжения. Это будет максимально возможная сила трения покоя, определяющаяся по формуле Fтр. = μ ⋅ N , где N = m ⋅ g (при условии горизонтальной поверхности). Подставляя значения, получаем, что Fтр. = 35 Н. Данное значение больше прикладываемой силы, следовательно брусок не сдвинется с места. Тогда сила трения покоя будет равна внешней силе: Fтр. = F = 25 H .

Записали!
Скоро с вами свяжется консультант, расскажет об обучении в нашей онлайн-школе.
Проверьте вашу электронную почту — там письмо о том, что стоит сделать перед консультацией.

У нас вы сможете учиться в удобном темпе, делать упор на любимые предметы и общаться со сверстниками по всему миру.

Из-за чего возникает сила трения? Она возникает в результате движения одно тела по поверхности другого тела.

Причины возникновения силы трения:

Все тела имеют шероховатости. Даже у очень хорошо отшлифованных металлов в электронный микроскоп видны неровности. Абсолютно гладкие поверхности бывают только в идеальном мире задач, в которых трением можно пренебречь. Именно упругие и неупругие деформации неровностей при контакте трущихся поверхностей формируют силу трения.
Между атомами и молекулами поверхностей тел действуют электромагнитные силы притяжения и отталкивания. Таким образом, сила трения имеет электромагнитную природу.

Существуют следующие виды сухого трения:

Сухое трение возникает в области контакта поверхностей твёрдых тел в отсутствие жидкой или газообразной прослойки. Этот вид трения может возникать даже в состоянии покоя или в результате перекатывания одного тела по другому, поэтому здесь выделяют три вида силы трения.

1. Сила трения покоя.

Этот вид силы трения возникает в ситуации возможного движения тела по поверхности другого тела. Эта сила направлена против направления возможного движения. Сила трения покоя может принимать любые значения в диапазоне от нуля до своего максимального предельного значения, после которого она переходит в силу трения скольжения. То есть сила трения покоя действует пока тело стоит на месте.

Важно: При решении стандартных физических задач принимается, что максимальная сила трения покоя равна силе трения скольжения и рассчитывается по формуле Fтр = μ N , где N – сила реакции опоры;
μ – коэффициент трения.

Коэффициент трения – это безразмерная величина. Он зависит от свойств соприкасающихся поверхностей и не зависит от силы давления (соответственно, и от силы реакции опоры, так как это силы, описываемые третьим законом Ньютона) и от площади соприкасающихся поверхностей.

Обычная ситуация: на кухне имеется холодильник, его нужно переставить на другое место.

Пока силы равны, холодильник остаётся на месте.

Сила трения, которая действует между поверхностями покоящихся тел и препятствует возникновению движения, называется силой трения покоя .

2. Сила трения скольжения

Что же делать с холодильником и можно ли победить силу трения покоя? Не будет же она расти до бесконечности? Зовём на помощь друга, и вдвоём уже удаётся передвинуть холодильник. Получается, чтобы тело двигалось, нужно приложить силу, большую, чем самая большая сила трения покоя:

Теперь на движущийся холодильник действует сила трения скольжения . Она возникает при относительном движении контактирующих твёрдых тел.

Самое очевидное — его масса играет первостепенную роль. Можно вытащить из него все продукты и тем самым уменьшить его массу, и, следовательно, силу давления холодильника на опору (пол). Пустой холодильник сдвинуть с места гораздо легче! Следовательно, чем меньше сила нормального давления тела на поверхность опоры, тем меньше и сила трения. Опора действует на тело с точно такой же силой, что и тело на опору, только направленной в противоположную сторону.

Сила реакции опоры обозначается N. Можно сделать вывод

Он чаще всего попадает в интервал от нуля до единицы, не имеет размерности и определяется экспериментально.

Этот факт отражён в законе Амонтона-Кулона, который можно записать формулой:

Рассмотрим пример в виде задачи

Брусок массой m покоится на плоскости, наклонённой под углом α к горизонту. Коэффициент трения между бруском и плоскостью равен μ. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым они определяются. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ:
А) модуль силы нормальной реакции плоскости
Б) модуль силы трения

ФОРМУЛЫ:
1) mgsin α
2) μmgsin α
3) mgcos α
4) μmgcos α

Cделаем рисунок к задаче:

Для решение задачи нам потребуется проецировать на оси нашей системы координат второй закон Ньютона

Как мы только что увидели, сила трения покоя может быть больше силы трения скольжения для одного и того же угла наклона. В большей степени это зависит от угла наклона плоскости и значения коэффициента трения скольжения.

Однако, здесь есть подвох (!). Тело всё таки не двигается, поэтому никакой речи о силе трения скольжения идти не может, согласны?

Для обеспечения покоя бруска сила трения покоя должна возрастать с увеличением угла α . Но мы знаем, что она не может быть больше максимального значения – силы трения скольжения:

Поэтому ясно, что существует предельный угол αпр наклона плоскости, при котором покой бруска станет невозможным, начнется соскальзывание. Значение этого угла мы нашли из условия, что сила трения покоя становится максимальной. Если угол наклонной плоскости будет равен углу трения (предельному углу), то тело будет либо равномерно скользить вниз под действие собственной силы тяжести, либо покоиться.

Видно, что предельный угол не зависит от массы бруска. Последнее соотношение позволяет на практике определить значение коэффициента трения с помощью изменения угла наклона плоскости для исследуемых предметов. К примеру, мы можем определить коэффициент трения дерева об дерево, если на деревянную доску положим деревянный брусок, а потом будем поднимать доску и фиксировать тот угол, при котором брусок начинает соскальзывать с доски. Тангенс этого угла как раз таки и будет определять коэффициент трения для этих материалов.

Неплохое дополнение по теме вы можете почитать: ЗДЕСЬ .

3. Сила трения качения

Ещё древние строители заметили, что если тяжёлый предмет водрузить на колёсики, то сдвинуть с места и затем катить его будет гораздо легче, чем тянуть волоком. Вот бы пригодилась эта древняя мудрость, когда мы тянули холодильник! Однако всё равно нужно толкать или тянуть тело, чтобы оно не остановилось. Значит, на него действует сила трения качения . Это сила сопротивления движению при перекатывании одного тела по поверхности другого.

Вязкое трение

Вязкое возникает при движении твёрдого тела в жидкости или газе. Оно препятствует движению лодки, которая скользит по реке, или воздействует на летящий самолёт со стороны воздуха. Интересная особенность вязкого трения в том, что отсутствует трение покоя. Попробуйте сдвинуть пальцем лежащий на земле деревянный брус и проделайте тот же эксперимент, опустив брус на воду. Чтобы сдвинуть брус с места в воде, будет достаточно сколь угодно малой силы. Однако по мере роста скорости силы вязкого трения сильно увеличиваются.

Спасибо, что дочитали до конца :) Если вам нравятся такие разборы, и вы хотите видеть их чаще, то оставьте обратную связь (лайки, комментарии, ваши мысли).

Читайте также: