Сила трения скольжения – формула, от чего зависит
4.4
Средняя оценка: 4.4
Всего получено оценок: 72.
4.4
Средняя оценка: 4.4
Всего получено оценок: 72.
Большое количество задач классической механики требуют учета силы трения скольжения, ее учитывают и при проектировании различных механизмов, чтобы подобрать смазочные материалы или сделать конструкцию, при которой трение минимизируется. Поэтому необходимо понимать ее причины и уметь рассчитывать.
Природа силы трения скольжения
Простейший опыт, который позволяет обнаружить трение, ставится в бытовых условиях. Для это необходимо привязать к грузу веревку и потянуть его. Тянущую силу можно измерить с помощью динамометра или ручных весов с крючком.
Рис. 1. Иллюстрация опыта.Пока сила меньше предельного значения, груз остается на месте, и причина этого – трение покоя. По модулю его сила равна внешней силе и направлена в противоположную сторону.
Трение обусловлено тем, что на микроуровне всякая поверхность шероховата.
Если внешняя сила достигает предельного значения, равного наибольшей силе трения покоя, груз начинает двигаться. Тогда возникает трение скольжения. Существует набор законов, названных в честь Кулона, открывшего их, которые описывают это явление.
Сила трения скольжения:
- Направлена вдоль поверхности соприкосновения и препятствует причинам движения.
- Не зависит от площади соприкосновения.
- Пропорциональна нормальной реакции опоры.
- Пропорциональна безразмерному коэффициенту трения.
Расчет силы трения скольжения
Для расчета силы трения скольжения допускают, что она не зависит от скорости и приблизительно равна наибольшему значению трения покоя. При невысоких скоростях такое приближение позволяет производить расчеты с достаточной точностью. Тогда формула силы трения скольжения запишется так:
$F_{тр} = \mu N$, которая называется формулой Кулона-Амонтона и является математическим выражением третьего закона Кулона.
$\mu$ – коэффициент трения скольжения, значение которого примерно равно коэффициенту трения покоя.
В том случае, если тело движется по наклонной поверхности, $F_{тр} = \mu mgsin \varphi$, где $\varphi$ – угол наклона поверхности.
Рис. 3. Силы, действующие на скатывающееся тело.Когда поверхности сухие, трение называют сухим. Выделяют и другие виды: с сухой смазкой, жидкостное (влажная смазка), смешанное, когда чередуются влажные и сухие участки поверхностей.
Задачи
- Тело тянут на вершину горы с силой, равной 28 Н. Масса тела – 2 кг, угол наклона горы – 30˚, ускорение – 1 м/c2. Найти коэффициент трения скольжения.
Решение первой задачи
Запишем второй закон Ньютона в векторной форме:
$$m \vec a = \vec F_{тр} + m \vec g + \vec N + \vec F$$
И в проекциях на оси:
Ох: $ma =F – F_{тр} – mgcos \varphi$ – (1)
Оу: $N=mgsin \varphi$ – (2)
Подставляя (2) в (1), получим:
$ma =F – \mu mgsin \varphi – mgcos \varphi$, тогда коэффициент трения скольжения будет равен:
$$\mu ={F \over mgsin \varphi} – {a \over gsin \varphi} – ctg \varphi = 0,87$$.
2 \over Rg} = {100 \over 10g} = 1$. Отсюда следует, что предельный угол равен 45˚.
Что мы узнали?
В ходе урока было установлено, от чего зависит сила трения скольжения и какова ее природы, были рассмотрены законы, характеризующие ее, и расчетные формулы, введены понятие коэффициента трения скольжения и виды трения скольжения. В завершении урока решены несколько задач.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.Роман Гаврилов
10/10
Оценка доклада
4.4
Средняя оценка: 4.4
Всего получено оценок: 72.
А какая ваша оценка?
Трение. | Объединение учителей Санкт-Петербурга
Основные ссылки
CSS adjustments for Marinelli theme
Объединение учителей Санкт-Петербурга
Форма поиска
Поиск
Вы здесь
Главная » Трение.
Трение. | |||||||
Название силы | Природа взаимодействия | Формула | Направление | Условие применимости | Примечание | ||
Сила трени покоя | Электро- магнитная | Противоположно силе, приложенной к телу, вдоль поверхности соприкосновения. | Равна по величине и противоположна по направлению приложенной силе. |
Зависит от рода трущихся поверхностей. N — сила реакции опоры. | |||
Сила трения скольжения | Электро- магнитная | (закон Кулона – Амонтона) | Противоположно направлению вектора относительной скорости движения. | Формула выполняется приближенно, т.к. сила трения зависит от скорости. | m — коэффициент трения скольжения. Зависит от рода трущихся материалов, от обработки поверхностей. Не зависит от силы давления, от площади соприкасающихся поверхностей. | ||
Сила трения качения | Электро- магнитная | Противоположно направлению вектора относительной скорости движения. | Формула выполняется приближенно, т.к. сила трения зависит от скорости. | m — коэффициент трения качения | |||
Сила спротивления (жидкого трения) | Электро-магнитная | F=αv F=βv2 | Противоположно вектору скорости. | До определенной скорости выполняется формула F=αv, а затем — F=βv2  Какую формулу применять устанавливают на опыте. | Коэффициенты пропорциональности зависят от рода среды, формы и размеров тела. Коэффициентыразмерны. | ||
График: | |||||||
1. Трение покоя. | |||||||
2. Трение скольжения. При v=const μ=tgα. | |||||||
3. Жидкое трение. |
| ||||||
Теги:
конспект
Трение | Блог Гэри Гарбера
Трение вообще является очень сложной темой, если рассматривать причины трения на микроскопическом уровне. Я представлю здесь несколько макроскопических обобщений, применимых в большинстве случаев.
В общем случае величина силы трения зависит от шероховатости материала.
Чем грубее или неровнее материал, тем больше будет трение.
Величина силы трения также зависит от Нормальной силы. Мы обычно думаем о нормальной силе как о противоположности веса. Если бы это было так, то мы могли бы нарисовать диаграмму свободного тела, как эта.
Итак, у нас есть сила тяжести направленная вниз, нормальная сила направленная вверх, приложенный «толчок» вправо и трение влево. Обратите внимание, что сила трения параллельна двум поверхностям. По мере увеличения силы нормальной силы (которой является сила между «скользящими» поверхностями) сила или величина трения также увеличивается.
Последовательно можно сказать, что трение параллельно поверхностям, а нормальная сила перпендикулярна. В приведенном выше случае трение горизонтальное.
Однако с тем же успехом мы могли бы иметь трение по вертикали или под углом. Представьте себе человека, который сжимает кусок мыла. Или ребенок, скользящий по шесту на детской площадке. В обоих этих случаях нормальная сила возникает НЕ из-за силы тяжести, а из-за сдавливания предметов чьими-то руками.
Нормальная сила перпендикулярна полюсу, а сила трения параллельна поверхности полюса.
Аналогично, на наклонной плоскости нормальная сила по-прежнему перпендикулярна поверхности, а трение параллельно. В этом случае нормальная сила является только составляющей веса.
Когда у нас есть объект, который скользит по поверхности, мы называем силу сопротивления либо трением скольжения , либо кинетическим трением . Уравнение, описывающее величину этой силы трения, имеет вид
F f = μ k F N
, где F N — величина нормальной силы, а μ — коэффициент трения. μ описывает неровность или шероховатость поверхности. мк k обычно представляет собой число от 0 до 1 и не имеет размеров. Это имеет смысл, если вы посмотрите, что обе части этого уравнения имеют Силу, выраженную в Ньютонах. k рядом с коэффициентом для кинетики.
Говоря о трении скольжения, вы, как правило, можете думать о микроскопических «выпуклостях» в материале, вызывающих сопротивление (что затушевывает правду об электростатических силах). Однако другой формой часто обсуждаемого трения является статическое трение . Когда вы пытаетесь толкнуть объект, он будет сопротивляться вам не только из-за собственной инерции, но и из-за статического трения между объектом и поверхностью, на которой он покоится. В этом случае вы можете думать о микроскопических выпуклостях как о застегивающихся вместе, как липучка.
Важно отметить, что статическое трение создается только в ответ на приложенную силу, аналогично тому, как нормальная сила создается только в ответ на приложенную силу. Из-за этого, имея дело с трением покоя, наше уравнение фактически имеет неравенство.
F f ≤ μ с F N
Если приложенная сила превышает мкФ Н, , то сила трения покоя преодолевается и объекты начинают скользить.
s для статического в мк s
Кроме того, в большинстве случаев коэффициент трения скольжения будет меньше коэффициента статического трения.
μ k < μ s
Одним из важных соображений относительно статического трения является то, как работает колесо. Когда колесо катит по земле, это , а не скольжение. Таким образом, катящаяся шина фактически использует статическое трение, чтобы продолжать движение. Когда ваша машина скользит или колеса заблокированы, тогда ваши шины скользят по земле, что очень опасно. Опять же, мы обязаны Угу, пещерному человеку, за это великое осознание.
Одно интересное заблуждение состоит в том, что величина трения зависит от скорости. Как только объект скользит, величина трения имеет тенденцию быть постоянной. Конечно, при трении выделяется тепло, и это может изменить свойства вещества.
Другой тип трения связан с гидродинамикой.
В повседневной жизни вы можете думать об этом как о сопротивлении воздуха, но оно не ограничивается воздухом. К текучим средам относятся как жидкости, так и газы. Величина сопротивления жидкости зависит от скорости объектов, формы объекта и вязкости жидкости.
Пример:
Предположим, что через прилавок скользят словари весом 8,2 кг. Если коэффициент трения скольжения между книгой и прилавком равен 0,2, то какова сила трения книги?
м = 8,20 кг
μ k = 0,200
F f = ???
F f = μ k F N
Будьте осторожны, чтобы не включить 8,2 кг для нормального усилия. Помните, это масса. По этой массе можно вычислить вес и, в свою очередь, нормальную силу.
F N = mg = 8,2 k g x 9,8 м/с 2 = 80,4 N
Отсюда мы можем подставиться в
F F = μ K F N = 0,200 · 804 n = 16,1 N
Факторы, влияющие на фрикршение, напоминает, что формирование, которые набраны, наносящие на силу.
поверхность другого тела, соприкасающаяся с ним. Это абсолютно необходимо для движения любого объекта по другому. Это как необходимое зло, которое вредит и помогает. Его двойную функцию можно понять на примере ходьбы: мы можем идти, потому что есть трение, и мы идем с определенной низкой скоростью из-за противодействующей силы, создаваемой трением.Также, как и в случае с мячом, свободно катящимся или скользящим по земле, мяч в конце концов останавливается из-за силы трения, которая действует между мячом и землей во время его движения. Это означает, что если сила действует в направлении справа налево, трение действует в направлении слева направо и наоборот. Верно также и то, что если сила действует слева направо, трение будет действовать в противоположном направлении от справа налево.
Есть силы, которые действуют только тогда, когда соприкасаются друг с другом. Это так называемые контактные силы. Она представлена твердыми телами, жидкостями, а также газами, но максимальна у твердых тел и наименьшая у газов.
Эффекты трения включают постепенное изнашивание вещей; это можно увидеть на таких примерах, как неровная подошва нашей обуви, лысеющие велосипедные шины и преднамеренное действие наждачной бумаги по поверхности.
Трение можно только уменьшить, его нельзя устранить. Мы можем уменьшить трение с помощью смазки на контактной поверхности. Уменьшение трения помогает лучше перемещать объекты друг над другом. Если поверхность очень шероховатая, нам нужно сделать ее более гладкой для движения, используя некоторые эффективные смазки, такие как масло или смазка, например, в случае деталей машин мы используем метод смазки, чтобы избежать трения между частями при работе.
Если мы уменьшим трение до нуля, движений не будет, так как тогда объект не будет двигаться, а будет просто скользить по поверхности другого, и, следовательно, требуется минимальное трение, чтобы любое движение имело место между два объекта или поверхности. Как, например, мы не можем ходить по льду, потому что его поверхность более гладкая и поэтому имеет наименьшее трение, и поэтому мы скользим всякий раз, когда пытаемся идти по нему.
Следовательно, для катания на коньках или любой другой деятельности на поверхности льда нам нужно использовать специально разработанные ботинки или ботинки для катания на коньках, концы которых имеют шероховатую поверхность, чтобы обеспечить необходимое трение для нашего движения.
Контактирующие поверхности
Что вызывает трение?
Трение – это сила, которая сопротивляется или препятствует относительному движению двух объектов или материалов. Различные причины ответственны за то, чтобы эта противодействующая сила вступила в действие. Среди различных других причин основной причиной этой силы сопротивления или силы трения является молекулярная адгезия, шероховатость поверхности, которая зависит от характера поверхности и тела в контакте, а также деформации поверхности или движущегося объекта.
- Адгезия – это молекулярная сила, возникающая при тесном контакте двух материалов друг с другом. Как будто между поверхностью стекла и водой существует сила сцепления, поэтому, налитая в стакан, она смачивает поверхность стекла.
- Каждый предмет имеет шероховатую поверхность, независимо от того, выглядит ли он более гладким невооруженным глазом. Но когда мы наблюдаем через микроскоп, мы обнаруживаем, что поверхности всех предметов имеют шероховатые края. И, следовательно, две шероховатые поверхности, соприкасаясь друг с другом, создают между собой силу трения или противодействующую силу, которая иногда может превращаться в теплоту. Степень трения увеличивается с увеличением шероховатости, так как по дороге с большим количеством гальки идти труднее, а по ровной дороге легче.
- Деформации тела или поверхности соприкасающегося тела могут вызывать трение при его движении. Чем больше деформация поверхности, тем больше сила трения или противодействующая сила, чтобы остановить ее движение, и, следовательно, в некоторых случаях мы должны использовать некоторые смазки, чтобы избавиться от этих сил трения или противодействия.
Пружинные весы обеспечивают простой, удобный и дешевый метод измерения массы.
Массу подвешивают к концу пружины, и отклонение пружины из-за направленной вниз силы тяжести, действующей на массу, измеряют по шкале. Мы можем использовать это для выполнения и экспериментального определения различных сил трения в случае различных объектов.
Наблюдения используются для определения следующего:
- Сила, действующая на предмет, подвешенный на конце весов
- Сила трения тела
- Величина давления тела
- Относительная движение между объектом и весами
Один из способов определения коэффициента трения между двумя поверхностями — это потянуть за объект с помощью пружинных весов, которые используются для измерения веса объекта. Если мы положим объект на другую поверхность, а затем потянем его, мы сможем определить величину силы, необходимой для перемещения объекта на любую поверхность.
Шероховатость/гладкость скользящего объекта
Возникающее трение зависит от шероховатости и гладкости скользящего объекта.
Чем грубее объект, тем больше будет создаваться трение и, следовательно, его движение будет ограничено. Чем ровнее объект, тем более плавно он может двигаться.
Гладкий мяч
Шероховатый мяч
Как видно из рисунка, гладкий мяч с более гладкой поверхностью может пролететь большее расстояние, чем шероховатый мяч.
Мы не можем держать стакан замасленными руками. Наши руки жирные и гладкие, и мы знаем, что гладкая поверхность меньше взаимодействует со стеклом. И, следовательно, имеет тенденцию скользить. Другим примером этого является то, что во время походов по холмистой и водной местности мы носим отличную спортивную обувь, чтобы грубая обувь лучше фиксировалась на холмистой местности, увеличивая трение, обеспечивая лучшее сцепление и уменьшая вероятность поскользнуться.
Шероховатость/гладкость поверхности
Трение зависит от характера контактирующей поверхности. Если поверхность шероховатая, трение, создаваемое противоположным движением объекта, больше по сравнению с более гладкой поверхностью.
Например, по дороге, усыпанной мелкой галькой, или по растрескавшейся дороге с таким количеством трещин между ними труднее идти, чем по более гладкой, хорошо выровненной дороге.
Противодействующая сила, возникающая при ходьбе по неровной дороге, в первом случае больше, чем во втором.
Форма/дизайн объекта
Форма и дизайн объекта определяют площадь контакта с поверхностью, по которой он движется. Например, если форма тела обтекаемая, поэтому при движении в воде или воздухе оно будет испытывать меньшую силу трения, противодействующую его движению, чем любая другая форма.
Важна площадь контакта, а не общая площадь поверхности, по которой что-то движется. Если в маленьком помещении или на стадионе катится шар диаметром 8 см, это не имеет значения, главное, чтобы материал пола и скорость катания были одинаковыми. Кроме того, если тело имеет самую короткую точку контакта, то создаваемая сила трения также очень меньше по сравнению со скольжением объекта, поэтому предпочтительнее катить объект для меньшего трения.
Таким образом, если два объекта находятся в движении (учитывая, что они сделаны из одного и того же материала и формы движутся с одинаковой скоростью), то большее тело будет испытывать большее трение из-за большей площади контакта, что создаст относительно более высокую силу трения. или сила, противодействующая его движению.
Нормальная сила, действующая на тела скольжения
Сила трения или противодействующая сила, ограничивающая движение тела, также зависит от Нормальной силы, действующей на тела скольжения. Обычно мы думаем о нормальной силе, а не о весе, следуя ньютоновской паре действие-противодействие. Таким образом, чем больше масса или вес объекта, тем выше будет генерируемая реакция или нормальная сила. По мере увеличения силы и величины нормальной силы, генерируемой перпендикулярно, которая представляет собой силу между «скользящими» поверхностями, сила или величина силы трения или противодействующей силы также увеличивается.
Сила трения или противодействующая сила — это сила, противодействующая скольжению двух объектов друг относительно друга, и она действует как контактная сила, как обычная сила.
В то время как нормальная сила действует перпендикулярно плоской поверхности, трение действует в направлении вдоль плоской поверхности объекта.
Коэффициент трения
Сила трения зависит от коэффициента трения поверхности. Чем больше коэффициент трения поверхности, тем больше сила, необходимая для ее перемещения по этой поверхности. Коэффициент трения µ представляет собой величину трения между двумя поверхностями. Низкое значение коэффициента трения указывает на то, что сила, необходимая для скольжения объекта, меньше, чем сила, необходимая при высоком коэффициенте трения. Сила трения имеет следующую формулу:
F = µ Н
Где F = сила трения
µ = коэффициент трения
Н = нормальная сила реакции
Примеры задач
91:027 Вопрос Что такое трение?
Ответ:
Сила трения, препятствующая скольжению или качению одного твердого тела по другому.
Силы трения, такие как тяга, необходимая для ходьбы без скольжения, могут быть полезными, но они также в значительной мере препятствуют движению.
Вопрос 2: Каковы два преимущества и недостатки трения?
Ответ:
Трение производит ненужное тепло, что приводит к потере энергии. Сила трения действует в направлении, противоположном движению, поэтому трение замедляет движение движущихся объектов. Лесные пожары возникают из-за трения между ветвями деревьев.
Вопрос 3: Каковы причины трения?
Ответ:
Трение — это сила сопротивления, которая возникает при относительном движении двух соприкасающихся тел. Сила трения между двумя телами зависит главным образом от трех факторов: (I) сцепления между поверхностями тел (ii) шероховатости поверхности (iii) деформации тел.
Вопрос 4: Что такое обтекаемая форма, поясните на примере?
Ответ:
Особая форма тела, уменьшающая жидкостное трение, называется обтекаемой формой.
Пример: действуют водные животные, такие как рыбы, крокодилы и акулы, и транспортные средства, такие как автомобили, самолеты, корабли. Обтекаемые формы помогают уменьшить сопротивление воздуха при движении объекта.Вопрос 5: Зависит ли трение от площади поверхности?
Ответ:
Сила трения возникает при взаимодействии двух поверхностей. Таким образом, трение зависит от поверхности контакта, поскольку поверхность контакта увеличивается, сила трения также увеличивается.
Вопрос 6. Найдите силу трения, если коэффициент трения равен 0,25, а нормальная реакция поверхности равна 5 Н.
Решение:
Как мы знаем, F = µ n
DED, µ = 0,25
n = 5N
F = µ N
Следовательно, F = 0,25 × 5N
Следовательно, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F F = 1,25 Н
Следовательно, сила трения равна 1,25 Н.
