Сила трения

Вместе с экспертом разбираемся, что такое сила трения, какой она бывает и от чего зависит. В конце статьи — интересные факты о действии сил трения в окружающем мире, о которых многие не знают

Борис Михеев
Автор КП
Иван Яковлев
Преподаватель физики
в Домашней школе
«ИнтернетУрок»
Люди встречаются с физическим явлением ежесекундно, но не осознают, что оно вообще существует. Так и с силой трения. Да, мы все знаем, что лед скользкий, а асфальт — нет. Но ученые-физики пытаются объяснить или хотя бы описать как устроен окружающий мир, и почему это происходит.
Физические тела соприкасаются своими сторонами, двигаясь или нет. И всегда проявляется некая сила, всегда противоположная направлению движения или удерживающая одно тело поверх другого. Это и есть сила трения. Интересно, что ее модуль независим от площади, однако зависим от веса контактирующих тел и качеств поверхностей соприкасания. То есть отшлифованные шестеренки любого устройства будут вращаться легче, чем обработанные напильником. И шипованные покрышки лучше держат автомобиль на гололеде, чем лысые. Если исследовать полированное стекло под сильным микроскопом, то можно убедиться, что оно напоминает горную страну с долинами, хребтами и пиками. Что уже говорить о поверхностях, где дефекты видны невооруженным глазом. Вот эти неровности цепляются друг за друга и порождают загадочную силу.

Формулы силы трения

Различают трение сухое и вязкое. Сухое происходит при контакте двух твердых тел без какой-либо прослойки. Вязкое трение проявляется, если между телами есть некая смазка. Например, вода под коньком фигуриста или машинное масло между шестеренками.

    Сила трения покоя

    Трение покоя проявляется между двумя неподвижными физическими телами. Оно будет сохраняться до тех пор, пока приложенная к ним сила не превысит силу трения покоя. Формулируем, что действующая сила трения покоя равна силе тяги.
    Fтр = Fтяги
    Где:

    Fтр — сила трения скольжения;
    Fтяги — сила тяги.

    Сила трения скольжения

    После начала движения формула для вычисления силы трения меняется:
    Fтр = μN
    Где:

    Fтр — сила трения скольжения;
    μ — коэффициент трения. Экспериментально полученная величина для пар различчных твердых тел. Например, сталь по бронзе, дуб по чугуну и так далее.
    N — сила реакции опоры, равная по модулю силе нормального давления и противоположно направленная.
    Яркий пример действия силы трения скольжения — игра в кёрлинг. Фото автора SHVETS, Pexels.com

    Сила трения качения

    Формула силы трения качения сложнее.
    Fтр = λN/R
    Где:

    Fтр — сила трения скольжения;
    λ — коэффициент трения;
    N — сила реакции опоры;
    R — радиус колеса.
    Балансирование — это действие силы трения качения. Фото: pixabay.com

    В чем измеряется сила трения

    Сила трения, как и всякая другая, измеряется в ньютонах.

    Популярные вопросы и ответы

    Отвечает Иван Яковлев, преподаватель физики в Домашней школе «ИнтернетУрок»

    — О проявлениях силы трения каждый знает уже с детства. Достаточно вспомнить, как было скользко на мокром полу или на гладком льду, или как трудно идти и бежать по песку (по сравнению с твердой дорогой); как изнашивалась подошва обуви и одежда. О трении есть пословицы и поговорки: «Три, три, три — будет дырка», «Пошло дело как по маслу», «Сухая ложка рот дерет» и так далее. Мы каждый день, порою даже этого не замечая, испытываем на себе как пользу, так и вред сил трения. Трение играет важную роль в быту и технике, а также в растительном и животном мире.

    Примечательно, что только пять столетий назад были сделаны первые попытки исследования силы трения. Итальянский гений Леонардо да Винчи сформулировал термин «коэффициент трения». Ученый дал современное определение силы трения. Его модель доработали Амонтон и Кулон, определили коэффициент трения как отношения силы трения к нагрузке. Так появилась физическая константа, полностью определяющая силу трения для пары соприкасающихся материалов. В 30-е годы XX века трение и сопутствующие ему процессы стали предметом новой науки трибологии.

    Что такое сила трения?

    — Сила трения — это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого и всегда направленная вдоль поверхности соприкосновения противоположно направлению движения.

    Силы трения бывают двух типов: сухое (возникает при соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки) и жидкое (возникает пpи движении твердых тeл в жидкoй или гaзooбpaзнoй cpeдe, или кoгдa caмa жидкocть или гaз тeкут мимo нeпoдвижныx твеpдыx тeл). Сухое трение, в свою очередь, делится на три вида: трение покоя (действует между двумя телами, неподвижными относительно друг друга), трение скольжения (возникает между соприкасающимися телами при их относительном движении), трение качения (возникает при перекатывании тел одного по другу).

    Какова природа сил трения?

    — Причины появления сухого трения:

    • Из-за шероховатости (неровностей) поверхностей контактирующих тел. Когда одно тело скользит или катится по другому, эти дефекты цепляются друг за друга и препятствуют передвижению;
    • При максимально гладких поверхностях молекулы располагаются настолько близко друг к другу, что между ними начинают действовать силы взаимного притяжения, которые в некоторых случаях довольно существенны.

    Величина силы трения зависит от:

    • Вида трения. Величина трения качения во много раз меньше трения скольжения.
    • Нагрузки. С ее увеличением сила трения растет.
    • Качества обработки поверхностей. При скольжении по менее шероховатой поверхности сила трения заметно меньше.
    • Использования смазочных материалов.

    В чем польза и вред сил трения?

    — Как уже было сказано вначале, трение играет огромную роль во всех сферах нашей жизни. Например, благодаря силе трения покоя мы можем ходить по земле, авто- и железнодорожный транспорт могут начать движение без пробуксовки или в случае необходимости остановиться. Благодаря силе трения покоя тела не соскальзывают с наклонной поверхности. Без трения не звучала бы скрипка, школьники не смогли бы писать ручкой в своих тетрадях, а все саморезы и гвозди выскочили бы из своих мест.

    В живой природе, например, плетущиеся растения благодаря силе трения цепляются за опоры и удерживаются на них, а корнеплоды удерживаются в почве. Действие органов хватания многих животных и насекомых тесно связано с трением.

    Но во многих случаях трение очень и очень вредно, и с ним борются различными способами.
    Трение выводит из строя человеческий организм: изнашиваются суставы, мениски, образовываются болезненные наросты и мозоли на ногах.

    Во всех машинах и агрегатах из-за трения нагреваются и изнашиваются движущиеся части. Для уменьшения трения соприкасающиеся и трущиеся поверхности делают более гладкими или между ними вводят смазку, или по возможности силу трения скольжения заменяют на силу трения качения. Чтобы уменьшить трение вращающихся валов различных механизмов, их устанавливают на подшипники.

    Bязкoe тpeниe пpивoдит к пoтepe мexaничecкoй энepгии движущeгocя тeлa, так как тopмoзит eгo. Например, для преодоления силы трения корабли затрачивают до 75% общей мощности. Поезда при скорости 200 км/ч зaтpaчивaют нa пpeoдoлeниe coпpoтивлeния вoздуxa oкoлo 50-70% общей мoщнocти.

    Воздушные летательные аппараты испытывают огромную силу сопротивления воздуха. Трение о воздух может привести к oпacнoму пepeгpeву caмoлeтa в плoтныx cлoяx aтмocфepы. Но в то же время летательные аппараты не смогут взлететь и передвигаться в cpeдe, лишeннoй вязкoгo тpeния, так как пoдъeмнaя cилa кpыльев и cилa тяги вoздушнoгo винтa будут paвны нулю.

    В каком классе изучают силу трения?

    — С определением силы трения, её природой, видами сил трения и их различиями учащиеся знакомятся в 7 классе. Немного подробнее эту тему изучают уже в 10 классе. В заключении хочу предложить для вашего размышления интересный вопрос: «Что будет, если полностью исчезнет сила трения?»
    Фото на обложке: pexels.com