Трение покоя это: Ошибка 404. Страница не найдена • Онлайн-школа «Фоксфорд»

Трение покоя :: Класс!ная физика

Иногда бывает так, что движения ещё нет, а сила трения уж»е действует! Попробуйте сдвинуть книгу, лежащую на столе. Для этого потребуется некоторое усилие. И если на книгу нажать слишком слабо – она не тронется с места. Ей мешает двигаться сила трения между нижней обложкой книги и столом. Эта сила трения препятствует твёрдым телам приходить в движение. Поэтому она называется силой трения покоя. С какой бы стороны вы ни нажимали на книгу, сила трения покоя препятствует началу скольжения книги. Сила трения покоя направлена всегда против направления «сдвигающей» силы.

Итак, сила трения покоя всегда равна по величине внешней силе, действующей на тело, и направлена в противоположную сторону. Чем больше приложенная к покоющемуся телу сила, тем больше сила трения покоя! Существует максимальная сила трения покоя, превышая которую мы замечаем, что тело сдвинулось с места.

А вот при движении тела в жидкости или газе сила трения покоя равна нулю!

Как измерить силу трения покая? — например, с помощью динамометра.

Привяжите конец нитки к динамометру и тяните пружину. Чем больше сила трения покоя книги, тем сильнее растянется пружина, прежде чем начнётся скольжение. Заметив положение стрелки в тот момент, когда книга сдвинулась с места, вы узнаете величину максимальной силы трения покоя.

От чего зависит сила трения покоя?

В 1779 году французский физик Кулон установил, от чего зависит максимальная сила трения покоя. Оказалось, что сила трения покоя зависит от того, с какой силой прижимаются друг к другу соприкасающиеся предметы.

Чем тяжелее книга, лежащая на столе, чем сильнее она прижимается к столу, тем труднее её сдвинуть.

Ещё от чего зависит эта сила?

Сдвинуть книгу по гладко отполированному столу легче, чем по шершавому. Поэтому сила трения покоя зависит также и от материала соприкасающихся поверхностей. Санки, полозья которых обиты железом, сдвинуть легче, чем санки с необитыми полозьями: трение железа о снег меньше, чем трение дерева о снег. Ходить по деревянному полу можно увереннее, чем по каменному: трение покоя между подошвами ботинок и деревянным полом больше, чем между теми же подошвами и каменными плитами, и ноги меньше скользят.
При одном и том же давлении между соприкасающимися поверхностями трение покоя будет
разным для разных пар материалов. Для каждой пары материалов можно путём измерений найти величину силы трения покоя. Если разделить её, на величину силы, прижимающей одну поверхность к другой, то получим коэффициент трения. Для разных материалов коэффициент трения разный. Так, для металла по дереву он равен

1/2. Значит, для того чтобы сдвинуть на деревянном столе стальную плитку весом в 2 килограмма, нужно потянуть её с силой в 1 килограмм. Коэффициент трения стали по льду равен 0,027. Чтобы сдвинуть ту же плитку по гладкому льду, требуется всего 54 грамма. Зная коэффициенты трения и пользуясь формулой Fтр = kN , инженеры могут заранее рассчитать силу тяги, необходимую для приведения в движение различных механизмов и машин.

Однако, формулой Fтр = kN пользуются только в тех случаях, когда не требуется слишком большой точности в расчётах.

Итак, шкаф не сдвинется с места до тех пор, пока прикладываемая к нему «сдвигающая» сила не станет равной Fтр покоя макс. = kN. А до этого момента сила трения покоя всякий раз уравновешивает «сдвигающую» силу, и шкаф остается неподвижным.

Источники: Л.П.Лисовский. «Трение в природе
и технике», журн. «Квант»

Другие страницы по теме «В мире трения»:

Как мы ходим?
Это придумал адмирал Макаров
Трение покоя
Трение на Луне
Трение на дорогах
Мир без трения
Трение в спорте
Подшипники
Трение и паровоз
«Медный всадник»
Трение в живой природе
Сухая (твердая) смазка
Извлечение огня
Вязкое (жидкое) трение
Урок о трении

Трение покоя и трение скольжения.

Природа явления и его суть.

Трение — основные понятия, законы и зависимости



Понятие трения

Как известно, в природе не существует абсолютно гладких и абсолютно твердых тел, поэтому при перемещении одного тела по поверхности другого возникает сопротивление, которое называется трением.

Трение – явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкасания поверхностей по касательной к ним.

Трение – явление чрезвычайно распространенное в природе и имеющее большое значение. При этом оно может выполнять и полезные, и вредные функции. На трении основана работа фрикционных и ременных передач, муфт, наклонных транспортеров, прокатных станов, тормозных устройств и т. п.

Трение обеспечивает сцепление тел с земной поверхностью и, следовательно, работу машин, тракторов и другой транспортной самоходной техники. При отсутствии трения мы не могли бы ходить по земле, поскольку наши ноги скользили бы и разъезжались в разные стороны, как у неумелого конькобежца на гладком льду.

Наряду с полезными свойствами, трение является во многих устройствах и механизмах вредным сопротивлением, которое отнимает львиную долю мощности и энергии у машин. Для уменьшения трения в механизмах конструкторам приходится применять различные приемы и способы, чтобы снизить непродуктивные потери энергии.

Трение классифицируют по характеру движения, в результате которого оно возникает. Различают трение покоя, трение скольжения, трение качения и трение качения с проскальзыванием. Очевидно, что последний из перечисленных видов трения является комбинацией трения скольжения и трения качения.

Трением покоя называется трение двух тел при начальном (бесконечно малом) относительном перемещении в момент перехода от состояния покоя к состоянию относительного движения. Это явление можно объяснить шероховатостью поверхностей соприкасающихся тел, а также их деформацией, вызванной взаимным давлением друг на друга.
Кроме того, при таком взаимном давлении (контакте) между телами, на их поверхностях возникают силы молекулярного сцепления. Для того, чтобы начать взаимное перемещение тел, необходимо преодолеть все эти факторы, обуславливающие трение покоя.

Трением движения называется трение двух тел, находящихся в относительном движении. Рассмотрим основные виды трения в зависимости от характера относительного движения тел.

***

Трение скольжения

Трением скольжения называется трение движения, при котором скорости тел в точке касания различны по значению и (или) направлению.
Трение скольжения, как и трение покоя, обусловлено, прежде всего, шероховатостью и деформацией поверхностей, а также наличием молекулярного сцепления прижатых друг к другу тел. Трение скольжения сопровождается изнашиванием, т. е. отделением или остаточной деформацией материала, а также нагревом трущихся поверхностей тел (остаточной называется деформация, не исчезающая после прекращения действия внешних сил).
Трение характеризуется силой трения.
Сила трения есть сила сопротивления относительному перемещению двух тел при трении.

Рассмотрим тело, лежащее на горизонтальной шероховатой плоскости (см. рисунок 1).

Сила тяжести G уравновешивается нормальной реакцией плоской поверхности N. Если к телу приложить небольшую движущую силу P, то оно не придет в движение, так как эта сила будет уравновешиваться силой трения F_тр, которая является, таким образом, составляющей реакции опорной плоскости, направленной вдоль плоскости в противоположную перемещению сторону.

Если постепенно увеличивать сдвигающую силу P, то до определенного ее значения тело будет оставаться в покое, а затем придет в движение.
Очевидно, что сила трения в состоянии покоя может изменяться в зависимости от степени микросмещения может изменяться от нуля до какого-то максимального значения F^max_тр, причем в промежутке между нулем и максимальным значением сила трения F_тр по модулю всегда равна сдвигающей силе P.
Максимальное значение сила трения покоя имеет в момент начала относительного движения.

Это значение называется наибольшей силой трения покоя или просто силой трения покоя.

Сила трения всегда направлена в сторону, противоположную направлению относительного движения тела.

В XVIII веке французские ученые Гийом Атонтон (1663-1705), а затем Шарль Огюстен Кулон (1736-1806) провели фундаментальные исследования в области трения, и на основе их сформулировали три основных закона трения скольжения, которые обычно называют законами Кулона.

***

1-й закон Кулона

Cила трения не зависит от величины площади трущихся поверхностей.

Первый закон можно объяснить с помощью следующих умозаключений. Если площадь трущихся поверхностей увеличится, то увеличится и количество сцепляющихся неровностей, но уменьшится давление на опорную поверхность, которое обратно пропорционально площади контакта тел. Поэтому сопротивление относительному перемещению останется прежним.

***

2-й закон Кулона

Максимальная сила трения прямо пропорциональна нормальной составляющей внешних сил, действующих на поверхности тела.

Второй закон Кулона говорит о том, что если увеличится нормальная составляющая внешних сил, действующих на поверхности тела (иначе говоря, увеличится сила нормального давления или реакции), то во столько же раз возрастет максимальная сила трения.
Поскольку зависимость эта прямо пропорциональная, можно выделить коэффициент, характеризующий ее пропорциональность. Этот коэффициент называется коэффициентом трения скольжения, и определяется он, как отношение силы трения F_тр к нормальной составляющей N внешних сил, действующих на поверхности тела. Обозначается коэффициент трения скольжения f.
При наибольшей силе трения покоя коэффициент трения называют коэффициентом сцепления.

Таким образом,

f = F

тр/N    или    F_тр = fN.

В результате второй закон трения скольжения можно сформулировать так: сила трения равна коэффициенту трения скольжения, умноженному на силу нормального давления или реакции.

Очевидно, что коэффициент трения скольжения – величина безразмерная.

Нормальная реакция N опорной поверхности и сила трения F_тр дают равнодействующую R, которая называется полной реакцией опорной поверхности (см. рисунок 2).

R = N + F_тр.

Полная реакция R составляет с нормалью к опорной поверхности некоторый угол. Максимальное значение этого угла (достигает в момент начала относительного движения) называется углом трения и обозначается φ.
Из рисунка 2 очевидно, что

f = tgφ,

т. е. коэффициент трения скольжения равен тангенсу угла трения.

Если коэффициент трения скольжения одинаков для всех направлений движения, то множество (геометрическое место) полных реакций образует круговой конус, который называется конусом трения (см. рисунок 2).
Если для разных направлений движения коэффициент трения неодинаков (например, при скольжении по дереву вдоль волокон и поперек волокон), то конус трения будет некруговым (несимметричным).

Свойство конуса трения заключается в том, что для равновесия тела, лежащего на шероховатой поверхности, равнодействующая приложенных к нему активных сил должна проходить внутри конуса трения.

Действительно, если равнодействующую P активных сил, приложенных к телу, разложить на составляющие P₂ (движущая сила) и P₂ (сила нормального давления), то

P₁ = P₂ tgα.

По второму закону трения скольжения

F_тр = fP₂ = P₂ tgφ.

Следовательно, при α < φ будет P₁ < F_тр и движение окажется невозможным.

***



3-й закон Кулона

Сила трения зависит от материала тел, состояния трущихся поверхностей и рода смазки.

Согласно третьему закону трения скольжения, коэффициент трения скольжения зависит от материалов трущихся тел, качества обработки их поверхности (степени шероховатости), рода и температуры смазки. В зависимости от наличия между сопрягаемыми поверхностями слоя смазки трение подразделяется на два вида: трение без смазочного материала (сухое трение) и трение в условиях смазки.

Коэффициент трения скольжения определяют опытным путем; значения его для различных условий приведены в справочниках. Примеры коэффициентов трения для некоторых материалов приведены ниже.

• Металл по металлу без смазки ……. 0,15…0,30
• То же, со смазкой ………………………0,10…0,18
• Дерево по дереву без смазки …….. 0,40…0,60
• Кожа по чугуну без смазки ………… 0,30…0,50
• То же, со смазкой ………………………… 0,15
• Сталь по льду ……………………………… 0,02

Коэффициент трения скольжения при движении обычно меньше, чем при покое, и в первом приближении не зависит от скорости относительного перемещения тел.

Методы решения задач статики при наличии трения остаются такими же, как и при отсутствии его, причем в уравнения равновесия обычно вводят максимальные значения сил трения.

***

Трение на наклонной поверхности

Рассмотрим тело, лежащее на шероховатой наклонной плоскости, составляющей угол α с горизонтальной плоскостью (см. рисунок 3).
Разложим силу тяжести тела G на составляющие G₁ и G₂, параллельную и перпендикулярную наклонной плоскости. Модули этих составляющих определим, используя тригонометрические зависимости:

G₁ = G sinα;    G₂ = G cosα.

Составляющая G₁ стремится сдвинуть тело вдоль наклонной плоскости. Полностью или частично эта составляющая уравновешивается силой трения; согласно второму закону трения скольжения, ее максимальное значение равно:

F_тр = fN = fG cosα,     где f – коэффициент трения скольжения тела по наклонной плоскости.

Для того, чтобы тело, лежащее на наклонной плоскости, находилось в равновесии, движущая сила G₁ должна быть по модулю равна силе трения F_тр ,т. е.

G sinα = fG cosα    или     tgα = f = tgφ, откуда следует, что α = φ.

Если угол, который наклонная плоскость составляет с горизонтом, будет равен углу трения, то тело, лежащее на наклонной плоскости ,будет под действием собственной силы тяжести либо равномерно скользить вниз, либо находиться в состоянии покоя (что, собственно, одно и то же).

Для того, чтобы тело, лежащее на наклонной плоскости, заведомо не скользило вниз под действием собственной силы тяжести, должно быть соблюдено условие α < φ.

Наклонной плоскостью с переменным углом наклона к горизонту пользуются для экспериментального определения угла трения φ и коэффициента трения f (см. рисунок 4а).

Определим модуль силы Р, параллельной наклонной плоскости, в случае равномерного перемещения тела вверх по шероховатой наклонной плоскости (см. рисунок 4б). Спроецируем силы, действующие на тело, на ось x. Составим уравнение равновесия:

ΣX = 0;    P – G sinα – F_тр = 0.

Так как F_тр = fG cosα, то P = G sinα + fG cosα или после преобразований: P = G (tgα + f).

Определим модуль горизонтальной силы Р, которую надо приложить к телу для равномерного перемещения его вверх по шероховатой наклонной плоскости (см. рисунок 5).

Применим геометрическое условие равновесия плоской системы сил (размерами тела пренебрегаем) и построим замкнутый силовой многоугольник, соответствующий уравнению равновесия:

G + P + N + F_тр = 0.

Из треугольника abc имеем: P = Gtg(α + φ).

Этот случай движения имеет место при взаимном перемещении винта и гайки с прямоугольной резьбой, так как резьбу винта можно рассматривать как наклонную плоскость, угол наклона которой равен углу подъема винтовой линии.

Трение в резьбе, имеющей треугольный или трапецеидальный профиль, подобно трению в клинчатом ползуне. Поэтому рассмотрим клинчатый ползун с углом заострения 2β, нагруженный вертикальной силой Q (см. рисунок 6). Определим силу P, необходимую для равномерного перемещения ползуна вдоль горизонтальных направляющих, если коэффициент трения скольжения равен f.

Составим два уравнения равновесия ползуна:

ΣX = 0;    P – 2F_тр = 0;
ΣY = 0;    2Nsinβ – Q = 0,

где F_тр– сила трения на каждой грани ползуна; N – нормальная реакция направляющей.

Решая эту систему уравнений и учитывая, что F_тр = fN, получим:

P = (f/sinβ)Q = f’Q,

где f’ = f/sinβ – приведенный коэффициент трения.

Соответствующий этому приведенному коэффициенту угол трения обозначим φ’ и назовем приведенным углом трения, тогда:

f’ = tgφ’.

Очевидно, что f’> f, следовательно, при прочих равных условиях трение в клинчатом ползуне больше трения на плоскости.

Понятие приведенного коэффициента трения условно, так как он изменяется в зависимости от угла заострения клинчатого ползуна.

По аналогии с движением тела вверх по наклонной плоскости под действием горизонтальной силы для равномерного перемещения клинчатого ползуна по направляющим, наклоненным к горизонту под углом α, нужно приложить горизонтальную силу равную

P = Q tg(α + φ’).

Трение в крепежной метрической резьбе подобно трению клинчатого ползуна с углом заострения 2β = 120˚, для трапецеидальной резьбы угол 2β = 150˚.

С трением связано понятие угла естественного откоса — наибольшим углом между наклонной плоскостью и горизонтом, при котором сыпучее тело удерживает свои частицы на поверхности, без их движения (осыпания) вниз. Угол естественного откоса сыпучего тела равен углу трения между его частицами. Этот угол приходится принимать во внимание, например, при различных земляных работах на уклонах и скатах.

***

Трение качения



Главная страница

Дистанционное образование

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

Сила трения покоя — что это? Отвечаем на вопрос.

Окружающий нас мир не был бы таким стабильным, если бы не существовало силы трения покоя. Дома, машины, предметы на столах и полках и даже сам человек не могли бы стоять на одном месте и постоянно бы соскальзывали. В статье раскроем вопрос, что это — сила трения покоя.

Предмет на горизонтальной поверхности

Прежде чем отвечать на вопрос, что это — сила трения покоя, изучим положение тела на горизонтальной поверхности с точки зрения динамики.

Каждый знает, что если поставить стакан с водой на стол, то он будет покоиться на своем месте, пока кто-нибудь его снова не возьмет. Какие силы действуют на стакан? Конечно же, сила тяжести или вес тела. Ее величина прямо пропорциональна массе, и вектор направлен вниз вертикально.

На первый взгляд может показаться, что больше на стакан никакая сила не оказывает действие. Однако если бы это было так, то он бы провалился сквозь стол за счет действия силы тяжести. Значит, существует некоторое противодействие этой силе, которое равно ей по модулю и противоположно по направлению. Этим противодействием является реакция опоры. Далее будем обозначать ее буквой N.

Физической причиной реакции опоры является сила упругости, действующая на тело со стороны деформированной поверхности (поверхность стола действует вертикально вверх на стакан с водой). В большинстве случаев эти деформации не видны невооруженным глазом, однако они всегда присутствуют, каким бы маленьким не был вес тела, и каким бы жестким и прочным не был материал поверхности.

Таким образом, математическая запись стакана на столе выглядит так:

N = m * g

Воздействие внешней силы

Продолжим рассматривать описанный выше пример с точки зрения физики. Предположим, что мы захотели передвинуть стакан с водой из одного угла стола на другой. Чтобы это сделать, необходимо приложить некоторую внешнюю силу. Причем, если ее прикладывать вертикально вниз или вверх, то мы не добьемся движения стакана вдоль поверхности стола. То есть сила должна быть параллельна плоскости стола.

При приложении небольшой параллельной силы можно заметить, что стакан продолжает находиться в состоянии покоя. Силы реакции опоры и веса тела направлены перпендикулярно поверхности, поэтому противодействия внешней параллельной силе они не оказывают. За это противодействие ответственна сила трения покоя. Это то взаимодействие, которое появляется только в случае наличия внешней параллельной силы. Напомним, что если стакан не трогать, то на него действуют только вес тела и реакция поверхности стола.

Таким образом, сила трения покоя — это сила, которая возникает в области контакта двух твердых поверхностей и препятствует любому относительному смещению этих поверхностей.

Почему появляется эта сила?

Мы рассмотрели, как проявляет себя трение покоя на примере стакана с водой на столе. Тем не менее остается открытым вопрос: почему существует эта сила?

В состоянии покоя сила трения главным образом обязана наличию шероховатостей на поверхностях механического контакта. Микроскопические шероховатости присутствуют всегда на любых поверхностях, даже идеально отполированных. Микроскопические впадины одной поверхности попадают на пики другой, что приводит к простому механическому зацеплению тел. Именно на преодоление этого зацепления направлена касательная к поверхности внешняя сила.

Существует еще одна причина трения покоя, которая начинает играть все большую роль, чем более гладкими являются поверхности контакта. Это электрохимическое взаимодействие атомов и молекул разных тел. Эта причина становится очевидной, если отполировать два металлических листа, затем приложить их друг к другу и попытаться сдвинуть.

Максимальное трение покоя

Когда школьникам учитель физики задает вопрос, по какой формуле рассчитывается сила трения покоя (в 7 классе трение начинают изучать), то они дружно называют следующее выражение:

F_t = µ * N

Где µ — некоторый коэффициент. Такой ответ школьников нельзя считать верным на 100 %. Дело в том, что по указанной формуле определяется максимально возможная величина рассматриваемой силы, но ведь она может быть и меньше, что чаще всего случается на практике.

Следует запомнить, что сила трения покоя — это переменная характеристика. Всегда, когда тело покоится, ее величина равна по модулю внешней касательной к поверхности силе. Когда же тело начинает движение, то говорить о трении покоя уже нельзя (появляется иной вид трения — скольжение). Приведенное выражение для F_t позволяет вычислить трение покоя в момент начала движения тела.

Коэффициент трения µ

В формуле для максимальной силы F_t был введен коэффициент силы трения покоя — величина µ. Он является безразмерным, поскольку реакция опоры N измеряется в ньютонах.

Этот коэффициент теоретически определить нельзя, поскольку он зависит от большого количества факторов: материалов поверхностей, качества их обработки (шероховатость), от чистоты поверхностей, их температуры, микроскопической структуры и некоторых других. В связи с этим величину µ измеряют экспериментально. Например, если к стакану в примере выше прикрепить динамометр и измерить максимальную силу F_t, то, зная массу стакана с водой, можно определить µ.

Значения коэффициента µ занесены в специальные таблицы для каждой пары поверхностей контакта. Так, в нашем примере стекло движется по дереву. Соответствующий µ равен 0,25.

Далее приведем пример решения двух задач, в которых будет понятно, что это — сила трения покоя, и как она действует на практике.

Задача на определение изменения силы трения

Известно, что стакан с водой общей массой 400 грамм стоит на горизонтальном столе. Стол наклоняют на 5^o к горизонту. Как изменяется трения покоя сила при этом? Начнет ли скользить стакан по столу?

Поскольку изначально стакан стоит на горизонтальном столе, то трение покоя равно нулю. Когда стол наклоняют, то возникает параллельная его поверхности составляющая вектора силы тяжести. Она равна:

F = m * g * sin(α)

Поскольку сила трения покоя равна величине F, то получаем, что ее изменение в результате наклона составит 0,34 Н.

Теперь ответим на второй вопрос задачи. При наклоне на 5^o максимальная трения покоя сила равна:

F_t = µ * m * g * cos(α)

Получаем значение F_t = 0,98 Н. Поскольку эта величина больше, чем рассчитанная сила трения покоя, то стакан по столу двигаться не будет при угле наклона 5^o.

Задача на определение работы трения покоя

В физике работой называется скалярное произведение вектора перемещения и вектора силы. Когда тело покоится, то модуль его перемещения равен нулю. Последнее означает, что работу рассматриваемая сила совершать не может (она действует только в покое).

Теперь представим следующую ситуацию: два бруска лежат друг на друге. На нижний из них действует сила F, которая приводит его в равноускоренное движение с ускорением a. Верхний брусок относительно нижнего покоится. Поскольку верхний брусок тоже движется с ускорением a, и на него действует только сила трения покоя, и получается, что она совершает положительную работу. Чему равна эта работа? За время движения t сила трения покоя совершает работу:

A = F_t * l = F * a * t² / 2

Заметим, что если величина F окажется больше, чем максимальное значение F_t, то верхний брусок соскользнет с поверхности нижнего.

Трение —

Трение возникает там, где мы о нем даже не подозреваем.Причиной возникновения трения служат неровности соприкасающихся поверхностей.

Трение возникает там, где мы о нем даже не подозреваем. Причиной возникновения трения служат неровности соприкасающихся поверхностей. Из-за трения кинетическая энергия тел превращается в теплоту. 
Когда космический аппарат входит в земную атмосферу со скоростью 25000 км/ч, трение поднимает температуру обшивки до 1500 С. Трение доставляет массу проблем: изнашиваются детали машин, протирается обувь, приходится прилагать большие усилия, чтобы совершить работу. Однако трудно даже представить себе, что случилось бы, если бы трение просто пропало.

Полезное действие трения

При отсутствии трения мы не могли бы передвигаться, а скользили бы как по льду, вещи невозможно было бы держать в руках, а любой звук звучал бы беспрерывным эхо, отражаясь от препятствий.

Трение покоя 

Трудно сдвинуть стоящий на полу тяжелый ящик – мешает трение. Если прикладывать к ящику все большую силу, то наконец наступит момент, когда ящик начнет перемещаться. Сила, которую прикладывали как раз перед тем, как ящик сдвинулся, представляет собой предельную силу трения покоя. Она зависит от веса ящика с содержимым. Если вес удвоится, то удвоится и сила трения покоя. Сила трения покоя также зависит от материалов соприкасающихся поверхностей, в данном случае дна ящика и пола.

Добывание огня 

С помощью трения можно добыть огонь. Самое простое устройство для этого состоит из 2 палочек. Конец одной палочки помещают в углубление другой и начинают быстро вращать первую. За счет трения в месте контакта можно добиться повышения температуры 300 С, при которой дерево начинает тлеть.
При зажигании спичек также используется трение. Когда головкой спички черкают по рабочей поверхности коробка, из-за трения температура поднимается. Выделяющаяся теплота приводит к химической реакции между веществами спичечной головки и коричневой полоски на коробке. При достижении определенной температуры головка воспламеняется, после чего огонь распространяется и на саму спичку.

Скольжение и качение 

Трение становится главной проблемой при транспортировке грузов. Первобытные люди передвигали тяжести с помощью волокуш. Волокуша скользила по земле, но сила трения оставалась значительной.
Позже люди обнаружили, что крупные грузы, например каменные глыбы, легче передвигать на круглых катках-роликах. Ролики катились, и трение уменьшалось, поскольку груз больше не скользил по земле. С изобретение колеса, посаженого на ось, стало ясно, что сила трения качения во много раз меньше силы трения скольжения.
Трение может быть полезным и вредным. Когда трение полезно, его увеличивают, когда вредно – его уменьшают. Для этого используют смазку, шлифовку, подшипники.

Подшипники

Подшипники – это устройство, которые случат в качестве опор для движущихся частей и позволяют уменьшить трение. Подшипники применяются в машинах и механизмах, в том числе в машинах и велосипедах, в электродвигателях и роликовых коньках. Подшипники одного типа позволяют валу вращаться в неподвижном корпусе, другие подшипники позволяют вращаться деталям на неподвижном валу. Если бы не было подшипников, то трение тормозило бы движение, приводило к большим тепловым потерям и вызывало повышенный износ соприкасающихся поверхностей.
Обычный подшипник качения состоит из внутреннего и внешнего металлических колец. Кольца разделены рядом шариков (шариковые подшипники) либо рядом цилиндрических или конических роликов (роликовые подшипники), перекатывающихся по канавкам в кольцах. Высококачественные подшипники работают так мягко, что потери на трение составляют менее 1% энергии, потребляемой механизмом.

Смазка 

Смазка – это вязкая жидкость, которая делает соприкасающиеся поверхности более гладкими и благодаря этому уменьшает трение. В механизмах в качестве смазки обычно используют нефтяные масла. В двигателях внутреннего сгорания смазка подается под давлением специальным насосом в подшипники двигателя и к поршням, движущимся в цилиндре.
В подшипниках высокоскоростных механизмов в качестве смазки используется сжатый воздух, в некоторых случаях – твердая графитовая смазка. В настоящее время изобретены и уже довольно широко применяются нано-смазки из специальных материалов, таких как микрокерамика WAGNER и INDIGO.

Тормоза 

Для того чтобы уменьшить трение и двигаться с минимальной затратой усилий, в транспортных средствах применяют подшипники. Но иногда необходимо резко снизить скорость, для чего на колесах устанавливают тормоза, Развивающие большую силу трения. При работе тормозная колодка из теплоустойчивого материала прижимается к стальному барабану или диску на колесе. Трение между тормозом и вращающимся колесом преобразует кинетическую энергию в теплоту, и скорость транспортного средства падает. Теплота быстро рассеивается в окружающемся воздухе.

Конспект урока «Трение покоя. Трение в природе и технике»

Тема урока: Трение покоя. Трение в природе и технике.

Цели: образовательная: учащиеся должны усвоить след. суждения:

развивающая: учащиеся должны овладеть след. видами действий:

воспитательная: учащиеся должны убедиться в том, что:

Тип урока: урок изучения нового материала.

Метод урока: эвристическая беседа с демонстрацией опыта.

Оборудование: мел, компьтерная доска, брусок, дощечка, подшипник.

Ход урока.

Ребята, мы с вами изучали понятие «Сила трения». Проведем по этой теме небольшую проверку. Возьмите листочки. Подпишите листочки. Я читаю вопросы, вы записываете только ответ.

Соберите листочки.

Давайте, скажем правильные ответы. (Читаю правильные ответы)

Скажите, есть ли сила трения, когда тело не движется, т. е. покоится?

…

Почему стол не движется, если я его толкаю, ведь, если на тело действует сила, то оно должно двигаться? (Толкаю стол)

Значит, есть другая сила, равная силе вашей руки.

Правильно, но что это за сила?

Сила трения.

Да. Только в этом случае мы ее назовем силой трения покоя. Итак, запишите число и тему сегодняшнего урока: «Трение покоя. Трение в природе и технике». Давайте запишем, что такое сила трения.

Сила трения, существующая между покоящимися друг относительно друга телами, называется силой трения покоя.

Проведем след. опыт. Возьмем дощечку, поставим ее под углом к столу, и положим на нее брусок. Что вы видите?

Брусок не скользит.

А почему?

Ее удерживает сила трения покоя.

Посмотрите на компьютерную доску. (На доске брусок, находящийся на опоре, программа позволяет менять коэффициент трения, рассматривать движение тела при разных поверхностях опоры и тела)

Посмотрите на рис. 81. Здесь вы видите транспортер, поднимающий тюки с хлопком. Тюки удерживаются силой трения покоя. Где еще есть сила трения покоя?

Она удерживает гвоздь, вбитый в стену, не дает развязаться банту на ленте, удерживает нитку, которой сшиты два куска ткани.

Есть ли сила трения в природе?

Люди, животные, транспорт перемещаются за счет силы трения покоя. Так как они отталкиваются от земли с определенной силой. Если земля будет гладкая, например, на льду, то отталкиваться трудно, ноги человека, колеса автомобиля скользят.

А еще где?

Не будь силы трения, предметы выскальзывали бы из рук, автомобили не могли бы останавливаться.

Что делают, чтобы увеличить силу трения?

Поверхность шин автомобиля делают с ребристыми выступами, посыпают дорогу песком.

А растения и животные…?

У растений и животных есть различные органы, для хватания (усики растений, хобот слона, цепкие хвосты обезьян).

Какой вред приносит сила трения?

Трущиеся детали машин нагреваются и изнашиваются.

Для уменьшения трения применяют специальные смазки и опирают вращающиеся детали на подшипники. Напишите в тетради: «Вкладыш – это деталь подшипника, непосредственно соприкасающаяся с валом». Он сделан из твердых материалов – бронзы, чугуна или стали. Почему?

Чтоб меньше изнашивалось.

Подшипники, в которых вал при вращении скользит по поверхности вкладыша, называют подшипниками скольжения. Кроме этого есть шариковые и роликовые подшипники. Как думаете, какие лучше?

Подшипники скольжения хуже, так как сила трения скольжения больше, чем сила трения качения.

Правильно. Замена в машинах подшипников скольжения на шариковые и роликовые подшипники позволяет уменьшать трение в 20-30 раз.

Где они применяются?

В автомобилях, станках, электрических двигателях, велосипедах и т. д.

Запишите домашнее задание. Прочитать и ответить устно на вопросы в конце параграфов 31, 32.

Теперь решим задачи.

Итак, урок окончен. До свидания.

Сила трения покоя, скольжения, качения, вязкое трение, сухое трение. В чем разница ? | Репетитор IT mentor

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

Причины возникновения силы трения:

1. 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.
2. 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 = μN, 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.

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.

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.

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:

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.

Коэффициент трения обозначается буквой μ (греческая буква «мю»). Коэффициент определяется отношением силы трения к силе нормального давления.

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.

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

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) mgsinα
2) μmgsinα
3) mgcosα
4) μmgcosα

Cделаем рисунок к задаче:

Схема для тела, которое находится в равновесии на наклонной плоскости

Схема для тела, которое находится в равновесии на наклонной плоскости

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.

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.

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).

Еще много полезного и интересного вы сможете найти на ресурсах:

Репетитор IT mentor в VK

Репетитор IT mentor в Instagram

Physics.Math.Code (Дзен)

Physics.Math.Code в контакте (VK)

Physics.Math.Code в telegram

Physics.Math.Code в YouTube

Сухое трение. Закон сухого трения. Сила сухого трения. Коэффициент сухого трения

Что такое сухое трение?

Если тела соприкасаются, то между ними могут возникнуть силы трения.

Обычно их называют силы сухого трения.

Когда говорят о силах сухого трения, то обычно рассматривают силы трения покоя и силы трения скольжения.

Трение покоя

Тело лежит на столе, на тело действует сила F, но тело остаётся в покое. Со стороны стола на тело действует сила трения покоя F_тр. Тело давит на стол с силой p. По 3-му закону Ньютона стол действует на тело с силой N, которая равна по величине силе p, но направлена противоположно.

Часто силу трения изображают вектором вдоль линии соприкосновения тел, такой рисунок равнозначен.

При изменении величины и/или направления силы F сила трения покоя F_тр изменится соответственно, чтобы оставаться равной силе F по величине и быть противоположной по направлению.

Изменяется сила трения покоя от нуля до своей максимальной величины. Если увеличивать силу F, то при некотором её значении тело сдвинется с места, в момент начала движения сила трения покоя и примет своё максимальное значение. Когда говорят о силе трения покоя, то обычно имеют ввиду её максимальное значение.

Сила трения покоя пропорциональна силе нормального давления тела на поверхность стола:

F_тр = kN

здесь k – коэффициент трения.

Чем сильнее тело прижато к поверхности, тем больше сила трения покоя. Например, если на данное тело поставить дополнительный груз, то давление тела на опору увеличится, а с ним увеличится и сила трения покоя.

Увеличение площади соприкосновения тел не влияет на наибольшее значение силы трения покоя.

Трение скольжения

Если под действием внешней силы F тело начинает равномерно двигаться, то сила F будет равна по величине силе трения скольжения, при этом сила трения скольжения F_тр будет направлена в противоположную по отношению к силе F сторону.

Сила трения скольжения отличается от наибольшей силы трения покоя, она немного меньше. Но обычно этим пренебрегают и считают, что сила трения скольжения равна наибольшей силе трения покоя.

С увеличением скорости сила трения скольжения слегка изменяется, обычно это обстоятельство не учитывают и считают силу трения скольжения постоянной при любых скоростях.

Подобно силе трения покоя сила трения скольжения пропорциональна нормальному давлению.

Сила трения скольжения не зависит от размеров площади соприкосновения.

Направлена сила трения скольжения всегда противоположно скорости.

В расчетах трение сольжения F_тр получают по формуле, которая применяется и для силы трения покоя:

F_тр = kN

Трение и нормальная сила — MCAT Physical

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает или несколько ваших авторских прав, сообщите нам, отправив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному ниже агенту. Если репетиторы университета предпримут действия в ответ на ан Уведомление о нарушении, оно предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, которая предоставила такой контент средствами самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении прав может быть отправлено стороне, предоставившей доступ к контенту, или третьим лицам, таким как в качестве ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатам), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или действие нарушает ваши авторские права. Таким образом, если вы не уверены, что контент находится на Веб-сайте или по ссылке с него нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к юристу.

Чтобы отправить уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись правообладателя или лица, уполномоченного действовать от их имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробностей, чтобы позволить репетиторам университетских школ найти и точно идентифицировать этот контент; например нам требуется а ссылка на конкретный вопрос (а не только на название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; а также Ваше заявление: (а) вы добросовестно полагаете, что использование контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права не разрешены законом, владельцем авторских прав или его агентом; (б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство, что вы либо владелец авторских прав, либо лицо, уполномоченное действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему уполномоченному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

Кинетическое трение — обзор

Трение

Трение — это противодействующая сила, возникающая при движении двух поверхностей относительно друг друга. По сути, любая поверхность обладает двумя фрикционными свойствами; статическое трение и кинетическое трение.Диапазон фрикционных свойств довольно обширен. Фрикционные свойства пластмасс важны в таких приложениях, как машинное оборудование и в раздвижных устройствах, таких как ленточные ремни и структурные элементы, такие как раздвижные двери. В предлагаемых приложениях трения, как и во многих других, есть важные области, которые касаются их подхода к проектированию.

Он начинается с выбора и модификации пластика для обеспечения высокого или низкого трения в зависимости от области применения. Также определяется требуемая геометрия для обеспечения необходимого уровня силы трения путем управления площадью контакта и качеством поверхности для обеспечения уровня трения.Управляющим фактором, ограничивающим любое конкретное приложение силы трения, является рассеивание тепла. Это верно, если приложение фрикционных нагрузок является либо непрерывным процессом, либо повторяющимся процессом с большим рабочим циклом. Использование охлаждающих конструкций, встроенных в изделия, или использование внешних охлаждающих устройств, таких как охлаждающие жидкости или воздушный поток, должно быть предметом рассмотрения при проектировании. Для успешного проектирования тепло, выделяемое трением, должно рассеиваться так же быстро, как и генерируется, чтобы избежать перегрева и выхода из строя.

Отношение между нормальной силой и силой трения используется для определения коэффициента трения покоя. Коэффициент трения — это отношение силы, необходимой для начала движения трения одной поверхности относительно другой, к силе, действующей перпендикулярно двум контактирующим поверхностям. Коэффициенты трения для конкретного пластика будут варьироваться от значения, которое происходит в момент начала движения, до значения, которое он достигает в движении. Коэффициент зависит от поверхности материала, шероховатой или гладкой.Эти и другие варианты требуют тщательного тестирования приложений, в которых используются характеристики трения пластмасс. Однако после определения характеристик трения они становятся стабильными для конкретного материала, изготовленного по предписанному методу.

Характеристики молекулярного уровня, которые создают силы трения, — это силы межмолекулярного притяжения адгезии. Если два материала, из которых состоят соприкасающиеся поверхности скольжения, имеют высокую степень притяжения друг к другу, коэффициент трения будет высоким.Этот эффект зависит от состояния поверхности и механических свойств материалов. Если материал грубый, возникает механическое блокирующее взаимодействие, которое усиливает эффект трения. При скольжении в этих условиях материал фактически отламывается, и прочность материала на сдвиг является важным фактором в характеристиках трения. Если поверхность отполирована до гладкости, определяющим фактором, обусловленным условиями поверхности, является площадь контакта между поверхностями. В условиях контакта с большой площадью и хорошей адгезии коэффициент трения высок, поскольку имеется плотный контакт с поверхностью.Это возможно за счет добавления поверхностных материалов, обладающих высокой адгезией, для увеличения коэффициента трения.

Если одна или обе контактирующие поверхности имеют низкий модуль упругости, можно создать тесный контакт между поверхностями, что приведет к высоким силам трения в случае пластмасс с хорошей адгезией. Он может добавить силы трения и другим способом. Смещение материала перед движущимся объектом добавляет механический элемент к силам трения.

Что касается загрязнения поверхности, если поверхность покрыта материалом, который предотвращает действие сил сцепления, коэффициент уменьшается. Если материал представляет собой жидкость, которая имеет низкую вязкость при сдвиге, существует условие скольжения со смазкой, при котором характеристики жидкости регулируют трение, а не характеристики поверхностного трения пластмасс.

Использование пластмасс для шестерен и подшипников — это область, в которой характеристики трения были исследованы наиболее тщательно.Например, высокополярный пластик, такой как нейлон и полиэфиры TP, в результате воздействия поверхностных сил на материал имеет относительно низкую адгезию к себе и таким поверхностям скольжения, как сталь. Из слоистого пластика получаются отличные шестерни и подшипники. Типичный коэффициент трения для таких материалов составляет от 0,1 до 0,2. Когда они отливаются под давлением (IM), пленка, образующаяся при охлаждении пластика относительно формы, имеет тенденцию быть более твердой и гладкой, чем поверхность среза, так что отформованный продукт демонстрирует более низкое трение скольжения и отлично подходит для этого типа применения.Хороший дизайн для этого типа применения состоит в том, чтобы сделать поверхности как можно более гладкими, не делая их гладкими как стекло, что имеет тенденцию увеличивать интимность контакта и увеличивать трение по сравнению с тонкой поверхностью.

Для уменьшения трения доступны смазочные материалы, которые уменьшают трение и помогают отводить тепло. Используются смешивание несовместимых материалов присадок, таких как силиконовое масло, в пластик IM. После IM присадка мигрирует на поверхность продукта и действует как возобновляемый источник смазки для продукта.В случае подшипников это происходит еще дальше, делая пластмассовый подшипник пористым и заполняя его смазывающим материалом аналогично спеченным металлическим подшипникам, графит и сульфид молибдена также вводятся в качестве твердых смазочных материалов.

Наполнители могут использоваться для увеличения теплопроводности материала, такого как стеклянные и металлические волокна. Фильтр может быть изготовлен из такого материала, как ПТФЭ (политетрафторэтилен), пластик, который имеет гораздо более низкий коэффициент трения, а открытый материал снижает трение.

С раздвижными дверцами или конвейерными лентами, скользящими по опорным поверхностям, встречаются различные типы применения с низким трением или низким сопротивлением. Нормальные силы, как правило, невелики, а проблемы с фрикционной нагрузкой относятся к налипшему типу. Некоторые пластмассы показывают отличные поверхности для этого типа применения. ПТФЭ (тетрафторэтилен) имеют самый низкий коэффициент среди всех твердых материалов и представляют собой одну из самых скользких поверхностей из известных. Основная проблема с ПТФЭ заключается в том, что его сопротивление истиранию является низким, поэтому в большинстве применений используются наполненные композиции с керамическими наполнителями для улучшения сопротивления истиранию.

Помимо ПТФЭ для снижения трения с использованием твердых материалов, а также пленок и покрытий, существуют другие материалы с превосходными свойствами скольжения по поверхности. Полиэтилен и полиолефины в целом имеют низкое поверхностное трение, особенно о металлические поверхности. UHMWPE (полиэтилен со сверхвысокой молекулярной массой) имеет дополнительное преимущество в том, что он имеет гораздо лучшую стойкость к истиранию и предпочтителен для конвейерных приложений и приложений, в которых материалы скользят по продукту.В ткацких станках текстильной промышленности также широко используется этот материал, поскольку он может выдерживать воздействие нити и волокна, проходящих по поверхности, с низким трением и относительно низким износом.

Есть приложения, в которых высокое трение находит применение, например, в поверхностях крутящего момента в сцеплениях и тормозах. Некоторые пластмассы, такие как полиуретаны и пластифицированные виниловые композиции, имеют очень высокие коэффициенты трения. Эти материалы создают отличные тяговые поверхности для различных продуктов, от приводных ремней до приводных роликов, в которых пластмассы либо приводят в движение другой элемент, либо приводятся в движение другим элементом.Конвейерные ленты, изготовленные из ориентированного нейлона и тканых материалов, покрыты полиуретановым эластомерным составом для обеспечения тяги при движении и для перемещения транспортируемых предметов по довольно крутым склонам из-за возникающего высокого трения. Приводные ролики для перемещения бумаги через печатные машины, копировальные машины и бизнес-машины часто покрыты уретаном или винилом, чтобы действовать как приводные элементы с минимальным проскальзыванием.

Ящик покоится на полу, когда вы начинаете давить на него с силой 40 Н.Пусть масса равна 20 кг, коэффициент трения покоя равен 0,18, а коэффициент кинетического трения равен 0,11. Коробка двигается? Какое ускорение?

Вопрос:

Ящик покоится на полу, когда вы начинаете давить на него с силой 40 Н. Пусть масса равна 20 кг, коэффициент трения покоя равен 0,18, а коэффициент кинетического трения равен 0,11. Коробка двигается? Какое ускорение?

Сила трения

Трение можно в общих чертах разделить на трение покоя и трение динамическое.Статическое трение — это саморегулирующаяся сила, которая препятствует скольжению одного объекта по другому. Статическая сила трения равна нулю, когда приложенная сила равна нулю. Сила статического трения увеличивается вместе с приложенной силой до своего максимального значения, известного как предельное трение или, в общем, сила статического трения. при дальнейшем увеличении приложенной силы объект начинает скользить. Кинетическое трение или динамическая сила трения действует между скользящим объектом и поверхностью, по которой он скользит.Это меньше, чем сила статического трения.

• Предельная сила трения Сила статического трения может быть выражена как произведение нормальной реакции N и коэффициента трения покоя. Статическая сила трения {eq} F_s = \ mu_s N = \ mu_s m g {/ экв}. Здесь {eq} \ mu_s, \ \ m, \ \ g {/ eq} — коэффициент статического трения, масса объекта и ускорение свободного падения.

• Кинетическая или динамическая сила трения является произведением коэффициента кинетического трения и нормальной реакции Н .Кинетическая сила трения {eq} F_k = \ mu_k m g {/ экв}. Здесь {eq} \ mu_k {/ eq} — коэффициент кинетического трения.

Ответ и пояснение: 1

Данные

• Приложенная сила {eq} F = 40,0 \ \ rm Н {/ eq}

• Масса ящика {экв} M = 20,0 \ \ rm {кг} {/ eq}

• Коэффициент статического трения {eq} \ mu_s …

См. Полный ответ ниже.

Формула статического трения

Статическое трение — это сила, которая удерживает объект в неподвижном состоянии. Его необходимо преодолеть, чтобы начать движение объекта. Когда объект движется, он испытывает кинетическое трение. Если к объекту приложена небольшая сила, статическое трение имеет равную величину в противоположном направлении. Если усилие увеличить, в какой-то момент будет достигнуто значение максимального статического трения, и объект сдвинется. Коэффициент статического трения обозначается греческой буквой «мю» (μ) с нижним индексом «s».Максимальная сила трения покоя составляет _{с в} раз больше нормальной силы, действующей на объект.

сила трения покоя ≤ (коэффициент трения покоя) (нормальная сила) максимальная сила трения покоя = (коэффициент трения покоя) (нормальная сила)

F _с ≤ μ _с η и F _с ^max = μ _с η

F _с = сила трения покоя

μ _с = коэффициент трения покоя

η = нормальная сила (греческая буква «эта»)

≤ означает «меньше или равно»

F _с ^макс = максимальная сила статического трения

Формула статического трения Вопросы:

1) К сани, набитой дровами, в заснеженном лесу прилагается усилие 5500 Н.Лыжи санок имеют коэффициент трения покоя μ _s = 0,75 со снегом. Если полностью загруженные салазки имеют массу 700 кг, какова максимальная сила статического трения и достаточно ли приложенной силы для ее преодоления?

Ответ: На плоской поверхности нормальная сила, действующая на объект, составляет η = мг. Используя это, можно найти максимальную силу статического трения:

F _с ^макс = μ _с η

F _с ^макс = μ _с мг

F _с ^макс = (0.75) (700 кг) (9,8 м / (с ² ))

F _с ^макс = 5145 кг ∙ м / с ²

F _с ^макс = 5145 Н

Максимальная сила трения покоя составляет 5145 Н, поэтому приложенной силы 5500 Н достаточно, чтобы преодолеть ее и начать движение салазок.

2) Человек, строящий машину для производства кирпича, хочет измерить коэффициент статического трения между кирпичом и деревом. Для этого она ставит 2.00 кг кирпича на плоском куске дерева, постепенно прикладывая все большее и большее усилие, пока кирпич не сдвинется. Она обнаружила, что кирпич двигается при приложении силы ровно 11,8 Н. Что такое коэффициент статического трения?

Ответ: Приложенная сила была именно той величиной, которая необходима для преодоления статического трения, поэтому она равна F _s ^max . На плоской поверхности нормальная сила, действующая на объект, составляет η = мг. Коэффициент трения покоя можно найти, переписав формулу максимальной силы трения покоя:

мкм _с = 0.6020 …

Дайте ответ с тремя значащими цифрами, чтобы соответствовать другим числам в уравнении:

мкм _с ≈ 0,602

Мы находим коэффициент статического трения между кирпичом и деревом равным 0,602.

Разница между статическим и кинетическим трением (со сравнительной таблицей)

Статическое и кинетическое — это две категории, по которым классифицируется трение. Существенная разница между статическим и динамическим трением заключается в том, что статическое трение — это сила трения, действующая на покоящееся тело.В отличие от кинетического трения — это сила трения, действующая на тело, находящееся в относительном движении.

Таким образом, мы можем сказать, что эти два типа трения в значительной степени различаются в зависимости от того, действует ли сила трения на тело в состоянии покоя или в движении.

Что такое трение?

Сопротивление, испытываемое объектом при инициировании движения или во время движения относительно поверхности, известно как трение. В отличие от гравитации или электромагнетизма сила трения не имеет фундаментального характера.Он действует противоположно направлению, в котором объект или тело пытается двигаться или двигаться.

Содержание: Статическое трение против кинетического

1. Сравнительная таблица
2. Определение
3. Ключевые отличия
4. Заключение

Сравнительная таблица

Основа для сравнения	Статическое трение	Кинетическое трение
Basic	Он связан с телом в состоянии покоя.	Связано с движением объекта.
Величина	Больше	Сравнительно меньше
Обозначается как	F s	F k
Выражение	μ с F N	μ k F N
Величина силы	Зависимая	Независимая
Природа	Это противостояние началу движения.	Это противодействие движению тела.
Значение	Может быть нулевым.	Никогда не может быть нулем.
Поведение	Показывает линейное увеличение до максимального значения.	Обладает неизменным характером и остается неизменным.
Когда действует	При отсутствии относительного движения.	При наличии относительного движения.
Пример	Ручка на столе.	Перемещение ручки по поверхности стола.

Определение статического трения

Сила трения, заставляющая покоящиеся тела находиться в состоянии покоя, известна как трение покоя. Проще говоря, из-за статического трения тела остаются в покое. В основном он действует между двумя покоящимися поверхностями.

Величина силы статического трения может быть равна нулю и может находиться в диапазоне от 0 до минимального значения силы, которая может вызвать движение. Из-за статического трения тело испытывает сопротивление, и это не позволяет телу опускаться на уклонах.

Статическое трение рассматривается как свойство поверхности с неровностями, препятствующими движению объекта. Чтобы преодолеть это статическое трение, требуется внешняя сила, которая может перемещать объект по поверхности. Выражение для максимальной силы, необходимой для преодоления статического трения, является произведением коэффициента статического трения ( μ _s ) и нормальной силы . Таким образом, задается как:

F _с = μ _с F _N

Определение кинетического трения

Сопротивление движению тела по поверхности известно как кинетическое трение.Мы знаем, что как только тело преодолевает статическое трение, оно начинает двигаться, поэтому сила трения, действующая между движущимися поверхностями, является кинетическим трением. Иногда его называют , динамическое трение .

Величина кинетического трения никогда не может быть равна нулю, поскольку для остановки движущегося тела обязательно требуется некоторое количество силы. Эта сила действует в направлении, противоположном движению объекта.

Коэффициент кинетического трения обозначается как μ _k и зависит от обеих поверхностей, находящихся в контакте.Здесь следует отметить, что μ _k обычно меньше, чем μ _s для тех же материалов. Выражение для максимальной силы, необходимой для преодоления кинетического трения, является произведением коэффициента кинетического трения и нормальной силы . Таким образом, задается как:

F _k = μ _k F _N

Ключевые различия между статическим и динамическим трением

1. Ключевым фактором различия между статическим и кинетическим трением является то, что статическое трение действует на тело, которое находится в состоянии покоя .Напротив, кинетическое трение действует, когда происходит относительное движение двух поверхностей. Мы можем прояснить это, понимая, что объект, когда он неподвижен, не скользит автоматически по поверхности, поэтому сила трения, которая поддерживает устойчивость объекта, — это трение покоя. В то время как всякий раз, когда происходит движение объекта по поверхности, поверхность также прикладывает к нему некоторую силу трения, чтобы замедлить движение, эта сила трения является кинетическим трением.
2. Статическое трение показывает линейное увеличение до максимального значения при приложении некоторой внешней силы.В то время как кинетическое трение имеет неизменный характер и остается постоянным независимо от приложенной силы.
   
3. Величина коэффициента трения покоя сравнительно больше, чем у кинетического трения. Таким образом, сила трения, которая требуется для поддержания устойчивости объекта, очевидно, больше, чем сила трения, которая препятствует движению объекта.
4. Статическое трение зависит от величины приложенной силы, в то время как кинетическое трение не зависит от величины приложенной силы.
5. Статическое трение соответствует противодействию началу движения, тогда как кинетическое трение — это противодействие тому, что уже находится в движении.
6. Значение статического трения может быть ноль , но значение кинетического трения никогда не может быть нулевым.
7. Различные примеры статического трения: ручка, помещенная на стол, стул на полу, неподвижное транспортное средство на дороге и т. Д. Однако некоторые примеры кинетического трения — это скольжение коробки по полу, движение едет по дороге, пишет что-нибудь на доске мелом.

Заключение

Итак, приведенное выше обсуждение заключает, что статическое и кинетическое трение — это две разные, но взаимосвязанные терминологии. Статическое трение вступает в действие всякий раз, когда отсутствует относительное движение объектов. Но кинетическое трение активно при относительном движении объектов.

6.2 Трение — Университетская физика Том 1

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Опишите общие характеристики трения
• Перечислите различные типы трения
• Рассчитайте величину статического и кинетического трения и используйте их в задачах, связанных с законами движения Ньютона.

Когда тело находится в движении, оно имеет сопротивление, потому что оно взаимодействует с окружающей средой.Это сопротивление — сила трения. Трение противодействует относительному движению между контактирующими системами, но также позволяет нам двигаться — концепция, которая становится очевидной, если вы пытаетесь ходить по льду. Трение — обычная, но сложная сила, и ее поведение до сих пор полностью не изучено. Тем не менее, можно понять обстоятельства, в которых он ведет себя.

Статическое и кинетическое трение

Базовое определение трения относительно просто сформулировать.

Трение

Трение — это сила, которая препятствует относительному движению между контактирующими системами.

Есть несколько форм трения. Одна из более простых характеристик трения скольжения состоит в том, что оно параллельно контактным поверхностям между системами и всегда находится в направлении, противоположном движению или попытке движения систем относительно друг друга. Если две системы находятся в контакте и движутся относительно друг друга, то трение между ними называется кинетическим трением. Например, трение замедляет скольжение хоккейной шайбы по льду. Когда объекты неподвижны, между ними может действовать статическое трение; статическое трение обычно больше кинетического трения между двумя объектами.

Статическое и кинетическое трение

Если две системы находятся в контакте и неподвижны относительно друг друга, то трение между ними называется трением покоя. Если две системы находятся в контакте и движутся относительно друг друга, то трение между ними называется кинетическим трением.

Представьте, например, что вы пытаетесь сдвинуть тяжелый ящик по бетонному полу — вы можете очень сильно надавить на ящик и вообще не сдвинуть его. Это означает, что статическое трение реагирует на ваши действия — оно увеличивается, чтобы быть равным вашему толчку и в противоположном ему направлении.Если вы, наконец, достаточно сильно надавите, ящик, кажется, внезапно соскользнет и начнет двигаться. Теперь статическое трение уступает место кинетическому трению. Находясь в движении, легче удерживать его в движении, чем начать, что указывает на то, что кинетическая сила трения меньше, чем сила статического трения. Если вы добавите массу в ящик, например, поставив на него коробку, вам нужно будет толкать еще сильнее, чтобы он начал двигаться, а также чтобы он продолжал двигаться. Кроме того, если вы смазываете бетон маслом, вам будет легче запустить ящик и продолжать работу (как и следовало ожидать).

Рисунок 6.10 представляет собой грубое графическое представление того, как возникает трение на границе раздела между двумя объектами. Осмотр этих поверхностей крупным планом показывает, что они шероховатые. Таким образом, когда вы толкаете, чтобы заставить объект двигаться (в данном случае ящик), вы должны поднимать объект до тех пор, пока он не сможет проскочить, ударяясь только кончиками поверхности, отламывая точки или и то и другое. Существенной силе можно противостоять трением без видимого движения. Чем сильнее прижимаются поверхности друг к другу (например, если на ящик ставится еще одна коробка), тем больше силы требуется для их перемещения.Частично трение происходит из-за сил сцепления между поверхностными молекулами двух объектов, что объясняет зависимость трения от природы веществ. Например, обувь на резиновой подошве скользит меньше, чем на кожаной. Адгезия зависит от контактирующих веществ и является сложным аспектом физики поверхности. Когда объект движется, остается меньше точек соприкосновения (меньше прилипающих молекул), поэтому требуется меньшая сила, чтобы удерживать объект в движении. На малых, но ненулевых скоростях трение практически не зависит от скорости.

Фигура 6.10 Силы трения, такие как f →, f →, всегда препятствуют движению или попытке движения между соприкасающимися объектами. Трение возникает частично из-за шероховатости соприкасающихся поверхностей, как видно на увеличенном виде. Чтобы объект переместился, он должен подняться до того места, где пики верхней поверхности могут проплывать по нижней поверхности. Таким образом, сила требуется только для того, чтобы привести объект в движение. Некоторые вершины будут сломаны, что также потребует силы для поддержания движения.Большая часть трения на самом деле возникает из-за сил притяжения между молекулами, составляющими два объекта, так что даже идеально гладкие поверхности не свободны от трения. (Фактически, идеально гладкие, чистые поверхности из аналогичных материалов будут прилипать, образуя соединение, называемое «холодной сваркой».)

Величина силы трения имеет две формы: одна для статических ситуаций (статическое трение), другая для ситуаций, связанных с движением (кинетическое трение). Далее следует лишь приблизительная эмпирическая (экспериментально определенная) модель.Эти уравнения статического и кинетического трения не являются векторными уравнениями.

Величина статического трения

Величина статического трения fsfs составляет

, где мкс — коэффициент трения покоя, а N — величина нормальной силы.

Символ ≤≤ означает, что меньше или равно , что означает, что статическое трение может иметь максимальное значение мксН.мксН. Статическое трение — это сила реакции, которая увеличивается, чтобы быть равной и противоположной любой приложенной силе, вплоть до своего максимального предела.Как только приложенная сила превышает

fs (max), fs (max), объект перемещается. Таким образом,

fs (max) = μsN.fs (max) = μsN.

Величина кинетического трения

Величина кинетического трения fkfk определяется как

.

где μkμk — коэффициент кинетического трения.

Система, в которой fk = μkNfk = μkN, описывается как система, в которой трение ведет себя просто . Переход от статического трения к кинетическому трению показан на рисунке 6.11.

Фигура 6.11 (a) Сила трения f → f → между блоком и шероховатой поверхностью противоположна направлению приложенной силы F → .F →. Величина статического трения уравновешивает приложенную силу. Это показано в левой части графика в (c). (b) В какой-то момент величина приложенной силы превышает силу кинетического трения, и блок перемещается вправо. Это показано в правой части графика. (c) график зависимости силы трения от приложенной силы; обратите внимание, что fs (max)> fk.fs (макс)> fk. Это означает, что μs> μk.μs> μk.

Как видно из таблицы 6.1, коэффициенты кинетического трения меньше, чем их статические аналоги. Приблизительные значения μμ состоят из одной или двух цифр, чтобы указать приблизительное описание трения, даваемое двумя предыдущими уравнениями.

Система	Статическое трение мкс мкс	Кинетическое трение μkμk
Резина на сухом бетоне	1.0	0,7
Резина на мокром бетоне	0,5-0,7	0,3-0,5
Дерево по дереву	0,5	0,3
Вощеная древесина на мокром снегу	0,14	0,1
Металл по дереву	0,5	0,3
Сталь по стали (сухая)	0,6	0,3
Сталь на стали (промасленная)	0.05	0,03
Тефлон на стали	0,04	0,04
Кость смазана синовиальной жидкостью	0,016	0,015
Туфли по дереву	0,9	0,7
Обувь на льду	0,1	0,05
Лед на льду	0,1	0,03
Сталь на льду	0,4	0.02

Стол 6.1 Приблизительные коэффициенты статического и кинетического трения.

Уравнение 6.1 и 6.2 включают зависимость трения от материалов и нормальной силы. Направление трения всегда противоположно направлению движения, параллельно поверхности между объектами и перпендикулярно нормальной силе. Например, если ящик, который вы пытаетесь толкнуть (с силой, параллельной полу), имеет массу 100 кг, то нормальная сила равна его весу,

. w = мг = (100 кг) (9.80 м / с2) = 980 Н, w = mg = (100 кг) (9.80 м / с2) = 980 Н,

перпендикулярно полу. Если коэффициент трения покоя равен 0,45, вам придется приложить силу, параллельную полу, более

. fs (макс.) = μsN = (0,45) (980N) = 440Nfs (max) = μsN = (0,45) (980N) = 440N

, чтобы переместить ящик. Когда есть движение, трение меньше, и коэффициент кинетического трения может быть 0,30, так что сила только

fk = μkN = (0,30) (980N) = 290N fk = μkN = (0,30) (980N) = 290N

поддерживает постоянную скорость движения. Если пол смазан, оба коэффициента будут значительно меньше, чем без смазки.Коэффициент трения — это безразмерная величина с величиной обычно от 0 до 1,0. Фактическое значение зависит от двух соприкасающихся поверхностей.

Многие люди испытывали скользкость при ходьбе по льду. Однако многие части тела, особенно суставы, имеют гораздо меньшие коэффициенты трения — часто в три или четыре раза меньше, чем у льда. Сустав образован концами двух костей, которые соединены толстыми тканями. Коленный сустав образован костью голени (большеберцовая кость) и бедренной костью (бедренная кость).Бедро представляет собой шарообразный (на конце бедренной кости) и суставную впадину (часть таза). Концы костей в суставе покрыты хрящом, который обеспечивает гладкую, почти стеклянную поверхность. Суставы также производят жидкость (синовиальную жидкость), которая снижает трение и износ. Поврежденный или артритный сустав можно заменить искусственным суставом (рис. 6.12). Эти заменители могут быть изготовлены из металла (нержавеющая сталь или титан) или пластика (полиэтилен), также с очень малым коэффициентом трения.

Фигура 6,12 Замена искусственного колена — это процедура, которая проводится более 20 лет. Эти послеоперационные рентгеновские снимки показывают замену правого коленного сустава. (кредит: модификация работы Майка Бэрда)

Натуральные лубриканты включают слюну, вырабатываемую во рту, чтобы помочь в процессе глотания, и скользкую слизь, находящуюся между органами в теле, позволяющую им свободно перемещаться друг мимо друга во время сердечных сокращений, во время дыхания и при движении человека.Больницы и врачебные клиники обычно используют искусственные смазки, такие как гели, для уменьшения трения.

Уравнения статического и кинетического трения представляют собой эмпирические законы, описывающие поведение сил трения. Хотя эти формулы очень полезны для практических целей, они не имеют статуса математических утверждений, которые представляют общие принципы (например, второй закон Ньютона). Фактически, есть случаи, когда эти уравнения даже не являются хорошими приближениями.Например, ни одна из формул не является точной для смазанных поверхностей или для двух поверхностей, пересекающих друг друга на высоких скоростях. Если не указано иное, мы не будем касаться этих исключений.

Пример 6.10

Статическое и кинетическое трение

Ящик весом 20,0 кг стоит на полу, как показано на рис. 6.13. Коэффициент статического трения между обрешеткой и полом составляет 0,700, а коэффициент кинетического трения составляет 0,600. К обрешетке прилагается горизонтальная сила P → P →.. Фигура 6,13 (а) Ящик на горизонтальной поверхности толкает с силой P → .P →. (б) Силы, действующие на ящик. Здесь f → f → может представлять либо статическую, либо кинетическую силу трения.

Стратегия

Схема ящика со свободным телом показана на Рисунке 6.13 (b). Мы применяем второй закон Ньютона в горизонтальном и вертикальном направлениях, включая силу трения, противоположную направлению движения коробки.

Решение

Второй закон Ньютона ДАЕТ∑Fx = max∑Fy = mayP − f = maxN − w = 0.∑Fx = max∑Fy = mayP − f = maxN − w = 0.

Здесь мы используем символ f для обозначения силы трения, поскольку мы еще не определили, подвержен ли ящик трению станции или кинетическому трению. Мы делаем это всякий раз, когда не уверены, какой тип трения действует. Теперь вес ящика

w = (20,0 кг) (9,80 м / с2) = 196N, w = (20,0 кг) (9,80 м / с2) = 196N,

, что также равно N . Таким образом, максимальная сила трения покоя составляет (0,700) (196 Н) = 137 Н. (0,700) (196 Н) = 137 Н.Пока P → P → меньше 137 Н, сила статического трения удерживает ящик в неподвижном состоянии и fs = P → .fs = P →. Таким образом, (а) fs = 20.0N, fs = 20.0N, (b) fs = 30.0N, fs = 30.0N и (c) fs = 120.0N.fs = 120.0N.

(d) Если P → = 180,0 Н, P → = 180,0 Н, приложенная сила больше максимальной силы статического трения (137 Н), поэтому ящик больше не может оставаться в покое. Когда ящик находится в движении, действует кинетическое трение. Тогда

fk = μkN = (0,600) (196N) = 118N, fk = μkN = (0,600) (196N) = 118N,

и ускорение

ах = P − fkm = 180.0N − 118N20,0 кг = 3,10 м / с 2.ax = P − fkm = 180,0 N − 118N20,0 кг = 3,10 м / с2.

Значение

Этот пример показывает, как мы рассматриваем трение в задаче динамики. Обратите внимание, что статическое трение имеет значение, соответствующее приложенной силе, пока мы не достигнем максимального значения статического трения. Кроме того, движение не может происходить до тех пор, пока приложенная сила не сравняется с силой статического трения, но тогда сила кинетического трения станет меньше.

Проверьте свое понимание 6,7

Блок массы 1.0 кг лежит на горизонтальной поверхности. Коэффициенты трения для блока и поверхности составляют μs = 0,50 μs = 0,50 и μk = 0,40.μk = 0,40. а) Какая минимальная горизонтальная сила требуется для перемещения блока? (б) Каково ускорение блока при приложении этой силы?

Трение и наклонная плоскость

Одна из ситуаций, в которой трение играет очевидную роль, — это объект на склоне. Это может быть ящик, который поднимают по пандусу к погрузочной платформе, или скейтбордист, спускающийся с горы, но основная физика остается той же.Обычно мы обобщаем наклонную поверхность и называем ее наклонной плоскостью, но затем делаем вид, что поверхность плоская. Давайте посмотрим на пример анализа движения на наклонной плоскости с трением.

Пример 6,11

Скоростной спуск

Лыжник массой 62 кг скользит по снежному склону с постоянным ускорением. Найдите коэффициент кинетического трения лыжника, если известно, что трение составляет 45,0 Н.

Стратегия

Величина кинетического трения равна 45.0 Н. Кинетическое трение связано с нормальной силой NN соотношением fk = μkNfk = μkN; таким образом, мы можем найти коэффициент кинетического трения, если сможем найти нормальную силу, действующую на лыжника. Нормальная сила всегда перпендикулярна поверхности, и поскольку нет движения перпендикулярно поверхности, нормальная сила должна равняться составляющей веса лыжника, перпендикулярной склону. (См. Рис. 6.14, на котором повторяется фигура из главы о законах движения Ньютона.) Фигура 6,14 Движение лыжника и трение параллельны склону, поэтому удобнее всего проецировать все силы в систему координат, где одна ось параллельна склону, а другая перпендикулярна (оси показаны слева от лыжника).Нормальная сила N → N → перпендикулярна склону, а трение f → f → параллельно склону, но вес лыжника w → w → имеет компоненты вдоль обеих осей, а именно w → yw → y и w → xw → Икс. Нормальная сила N → N → равна по величине w → y, w → y, поэтому нет движения перпендикулярно склону.

У нас

N = wy = wcos25 ° = mgcos25 ° .N = wy = wcos25 ° = mgcos25 °.

Подставляя это в выражение для кинетического трения, получаем

fk = μkmgcos25 °, fk = μkmgcos25 °,

, который теперь можно решить для коэффициента кинетического трения μk.мкк.

Решение

Решение относительно μkμk дает μk = fkN = fkwcos25 ° = fkmgcos25 ° .μk = fkN = fkwcos25 ° = fkmgcos25 °.

Подставляя известные значения в правую часть уравнения,

μk = 45,0 Н (62 кг) (9,80 м / с2) (0,906) = 0,082. μk = 45,0 Н (62 кг) (9,80 м / с2) (0,906) = 0,082.

Значение

Этот результат немного меньше, чем коэффициент, указанный в Таблице 6.1 для вощеной древесины на снегу, но он все же разумен, поскольку значения коэффициентов трения могут сильно различаться. В подобных ситуациях, когда объект массой м скользит по склону, составляющему угол θθ с горизонтом, трение определяется как fk = μkmgcosθ.fk = μkmgcosθ. В этих условиях все объекты скользят по склону с постоянным ускорением.

Мы обсуждали, что когда объект лежит на горизонтальной поверхности, нормальная сила, поддерживающая его, равна по величине его весу. Кроме того, простое трение всегда пропорционально нормальной силе. Когда объект находится не на горизонтальной поверхности, как в случае с наклонной плоскостью, мы должны найти силу, действующую на объект, которая направлена ​​перпендикулярно поверхности; это составляющая веса.

Теперь мы выведем полезное соотношение для расчета коэффициента трения на наклонной плоскости. Обратите внимание, что результат применим только к ситуациям, когда объект скользит по рампе с постоянной скоростью.

Объект скользит по наклонной плоскости с постоянной скоростью, если результирующая сила, действующая на объект, равна нулю. Мы можем использовать этот факт для измерения коэффициента кинетического трения между двумя объектами. Как показано в Примере 6.11, кинетическое трение на склоне равно fk = μkmgcosθfk = μkmgcosθ.Компонент веса вниз по склону равен mgsinθmgsinθ (см. Диаграмму свободного тела на рис. 6.14). Эти силы действуют в противоположных направлениях, поэтому, когда они имеют одинаковую величину, ускорение равно нулю. Записывая их, получаем

μkmgcosθ = mgsinθ.μkmgcosθ = mgsinθ.

Решая для μk, μk, находим, что

μk = mgsinθmgcosθ = tanθ.μk = mgsinθmgcosθ = tanθ.

Поместите монету в книгу и наклоните ее, пока монета не будет скользить по книге с постоянной скоростью. Возможно, вам придется слегка постучать по книге, чтобы монета двинулась.Измерьте угол наклона относительно горизонтали и найдите μk.μk. Обратите внимание, что монета вообще не начинает скользить, пока не будет достигнут угол, превышающий θθ, поскольку коэффициент статического трения больше, чем коэффициент кинетического трения. Подумайте, как это может повлиять на значение μkμk и его неопределенность.

Объяснение трения в атомном масштабе

Наиболее простые аспекты трения, о которых до сих пор говорилось, — это его макроскопические (крупномасштабные) характеристики. За последние несколько десятилетий в объяснении трения в атомном масштабе были достигнуты большие успехи.Исследователи обнаруживают, что атомная природа трения, по-видимому, имеет несколько фундаментальных характеристик. Эти характеристики не только объясняют некоторые из более простых аспектов трения — они также содержат потенциал для развития среды, почти свободной от трения, которая могла бы сэкономить сотни миллиардов долларов энергии, которая в настоящее время преобразуется (без необходимости) в тепло.

Рисунок 6.15 иллюстрирует одну макроскопическую характеристику трения, которая объясняется микроскопическими (мелкомасштабными) исследованиями.Мы отметили, что трение пропорционально нормальной силе, но не площади соприкосновения, что несколько противоречит здравому смыслу. Когда две шероховатые поверхности соприкасаются, фактическая площадь контакта составляет крошечную долю от общей площади, потому что соприкасаются только высокие точки. Когда прикладывается большая нормальная сила, фактическая площадь контакта увеличивается, и мы обнаруживаем, что трение пропорционально этой площади.

Фигура 6,15 Две соприкасающиеся шероховатые поверхности имеют гораздо меньшую площадь фактического контакта, чем их общая площадь.Когда нормальная сила больше в результате большей приложенной силы, площадь фактического контакта увеличивается, как и трение.

Однако взгляд в атомном масштабе обещает объяснить гораздо больше, чем более простые особенности трения. Механизм генерации тепла сейчас определяется. Другими словами, почему при трении поверхности нагреваются? По сути, атомы связаны друг с другом, образуя решетки. Когда поверхность трутся, поверхностные атомы прилипают и заставляют атомные решетки вибрировать, по сути создавая звуковые волны, проникающие в материал.Звуковые волны уменьшаются с расстоянием, и их энергия преобразуется в тепло. Химические реакции, связанные с трением, также могут происходить между атомами и молекулами на поверхностях. На рис. 6.16 показано, как острие зонда, проведенного по другому материалу, деформируется трением атомного масштаба. Можно измерить силу, необходимую для перетаскивания наконечника, и оказалось, что она связана с напряжением сдвига, которое обсуждается в разделе «Статическое равновесие и упругость». Изменение напряжения сдвига замечательно (более чем в 1012 · 1012 раз) и его трудно предсказать теоретически, но напряжение сдвига дает фундаментальное понимание крупномасштабного явления, известного с древних времен — трения.

Фигура 6,16 Наконечник зонда деформируется вбок под действием силы трения, когда зонд волочится по поверхности. Измерения того, как сила изменяется для разных материалов, дают фундаментальное представление об атомной природе трения.

Пример 6,12

Блоки сдвижные

Два блока на рис. 6.17 прикреплены друг к другу безмассовой струной, которая обернута вокруг шкива без трения. Когда внизу 4.Блок весом 00 кг тянется влево постоянной силой P →, P →, верхний блок весом 2,00 кг скользит по нему вправо. Найдите величину силы, необходимой для перемещения блоков с постоянной скоростью. Предположим, что коэффициент кинетического трения между всеми поверхностями равен 0,400.

Фигура 6,17 (а) Каждый блок движется с постоянной скоростью. (б) Диаграммы свободного тела для блоков.

Стратегия

Мы анализируем движения двух блоков по отдельности. На верхний блок действует контактная сила со стороны нижнего блока.Составляющими этой силы являются нормальная сила N1N1 и сила трения −0,400N1. − 0,400N1. Другими силами, действующими на верхний блок, являются натяжение TiTi в струне и вес самого верхнего блока, 19,6 Н. На нижний блок действуют контактные силы из-за верхнего блока и из-за пола. Первая контактная сила имеет компоненты -N1-N1 и 0,400N1,0,400N1, которые представляют собой просто силы реакции на контактные силы, которые нижний блок оказывает на верхний блок. Составляющие силы контакта пола равны N2N2 и 0.400N2.0.400N2. Другие силы на этот блок — -P, -P, натяжение Ti, Ti и вес –39,2 Н.

Решение

Поскольку верхний блок движется горизонтально вправо с постоянной скоростью, его ускорение равно нулю как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Из второго закона Ньютона ∑Fx = m1ax∑Fy = m1ayT − 0.400N1 = 0N1−19.6N = 0.∑Fx = m1ax∑Fy = m1ayT − 0.400N1 = 0N1−19.6N = 0.

Решая для двух неизвестных, мы получаем N1 = 19,6NN1 = 19,6N и T = 0,40N1 = 7,84N.T = 0,40N1 = 7,84N. Нижний блок также не ускоряется, поэтому применение второго закона Ньютона к этому блоку дает

∑Fx = m2ax∑Fy = m2ayT − P + 0.400N1 + 0,400N2 = 0N2−39,2N − N1 = 0.∑Fx = m2ax∑Fy = m2ayT − P + 0,400N1 + 0,400N2 = 0N2−39,2N − N1 = 0.

Значения N1N1 и T были найдены с помощью первой системы уравнений. Когда эти значения подставляются во вторую систему уравнений, мы можем определить N2N2 и P . Их

N2 = 58,8N и P = 39,2N, N2 = 58,8NandP = 39,2N.

Значение

Часто бывает сложно понять, в каком направлении рисовать силу трения. Обратите внимание, что каждая сила трения обозначена на рисунке 6.17 действует в направлении, противоположном движению соответствующего блока.

Пример 6,13

Ящик на грузовике-ускорителе

Ящик весом 50,0 кг стоит на платформе грузовика, как показано на рис. 6.18. Коэффициенты трения между поверхностями равны μk = 0,300μk = 0,300 и μs = 0,400.μs = 0,400. Найдите силу трения обрешетки, когда грузовик ускоряется вперед относительно земли: (a) 2,00 м / с ² и (b) 5,00 м / с ² .

Фигура 6.18 (а) Ящик стоит на платформе грузовика, который ускоряется вперед. (б) Схема ящика со свободным телом.

Стратегия

Силы, действующие на ящик, — это его вес, а также нормальные силы и силы трения, возникающие при контакте с кузовом грузовика. Начнем с , предполагая, что ящик не скользит. В этом случае на обрешетку действует статическая сила трения fsfs. Кроме того, ускорения ящика и грузовика одинаковы.

Решение

1. Применение второго закона Ньютона к ящику с использованием системы отсчета, прикрепленной к земле, дает
   ∑Fx = max∑Fy = mayfs = (50.0 кг) (2,00 м / с2) N − 4,90 × 102N = (50,0 кг) (0) = 1,00 × 102NN = 4,90 × 102 Н.∑Fx = max∑Fy = mayfs = (50,0 кг) (2,00 м / с2) N −4,90 × 102N = (50,0 кг) (0) = 1,00 × 102NN = 4,90 × 102N. Теперь мы можем проверить справедливость нашего предположения об отсутствии проскальзывания. Максимальное значение силы статического трения —
   мксН = (0,400) (4,90 × 102 Н) = 196 Н, мксН = (0,400) (4,90 × 102 Н) = 196 Н, в то время как фактическая сила статического трения , которая действует, когда грузовик ускоряется вперед со скоростью 2,00 м / с22,00 м / с2, составляет всего 1,00 × 102Н. 1,00 × 102Н. Таким образом, предположение об отсутствии проскальзывания остается в силе.
2. Если ящик должен перемещаться вместе с грузовиком при ускорении 5,0 м / с2,5,0 м / с2, сила статического трения должна составлять
   fs = макс = (50,0 кг) (5,00 м / с2) = 250 Н. fs = макс = (50,0 кг) (5,00 м / с2) = 250 Н. Поскольку это превышает максимальное значение 196 Н, обрешетка должна соскользнуть. Таким образом, сила трения кинетическая и составляет
   fk = μkN = (0,300) (4,90 × 102N) = 147N. fk = μkN = (0,300) (4,90 × 102N) = 147N. Горизонтальное ускорение ящика относительно земли теперь находится от
   ∑Fx = max147N = (50,0 кг) топор, soax = 2.94 м / с2. Fx = max147N = (50,0 кг) топор, soax = 2,94 м / с2.

Значение

Относительно земли грузовик ускоряется вперед со скоростью 5,0 м / с25,0 м / с2, а ящик ускоряется вперед со скоростью 2,94 м / с22,94 м / с2. Следовательно, ящик скользит назад относительно платформы грузовика с ускорением 2,94 м / с2-5,00 м / с2 = -2,06 м / с2,2,94 м / с2-5,00 м / с2 = -2,06 м / с2.

Пример 6,14

Сноуборд

Ранее мы проанализировали ситуацию, когда горнолыжник движется с постоянной скоростью, чтобы определить коэффициент кинетического трения.Теперь давайте проведем аналогичный анализ, чтобы определить ускорение. Сноубордист, изображенный на рис. 6.19, скользит по склону, наклоненному под углом θ = 130θ = 130 к горизонтали. Коэффициент кинетического трения между доской и снегом составляет μk = 0,20, μk = 0,20. Какое ускорение у сноубордиста?

Фигура 6,19 (а) Сноубордист спускается по склону с уклоном 13 ° к горизонтали. (б) Схема свободного тела сноубордиста.

Стратегия

Силы, действующие на сноубордиста, — это ее вес и сила контакта на склоне, которая имеет составляющую, перпендикулярную склоне, и составляющую вдоль склона (сила кинетического трения).Поскольку она движется по склону, наиболее удобной системой отсчета для анализа ее движения является система с осью x вдоль и осью y , перпендикулярной наклону. В этой системе координат и нормальная сила, и сила трения лежат вдоль координатных осей, компоненты веса — это mgsinθ вдоль наклона и mgcosθ под прямым углом к ​​наклону, mgsinθ вдоль наклона и mgcosθ под прямым углом к ​​наклону, и единственное ускорение идет вдоль угла x . -ось (ay = 0).(ау = 0).

Решение

Теперь мы можем применить второй закон Ньютона к сноубордисту: ∑Fx = max∑Fy = maymgsinθ − μkN = maxN − mgcosθ = m (0) .∑Fx = max∑Fy = maymgsinθ − μkN = maxN − mgcosθ = m (0).

Из второго уравнения N = mgcosθ.N = mgcosθ. Подставив это в первое уравнение, находим

ax = g (sinθ − μkcosθ) = g (sin13 ° −0,20cos13 °) = 0,29 м / с 2.ax = g (sinθ − μkcosθ) = g (sin13 ° −0,20cos13 °) = 0,29 м / с2.

Значение

Обратите внимание на это уравнение: если θθ достаточно мало или μkμk достаточно велико, axax отрицательна, то есть сноубордист замедляется.

Проверьте свое понимание 6,8

Сноубордист спускается с холма с уклоном 10,0 ° 10,0 °. Какое ускорение у лыжника?

Статическое и кинетическое трение — в чем именно разница?

При установке или обслуживании конвейерной ленты часто возникают проблемы из-за трения. Предлагаем вам напомнить о разнице между статическим и кинетическим трением и о влиянии, которое они оказывают на правильную работу ремня.

Разница между прилипанием и скольжением

Трение между двумя телами никогда не бывает одинаковым в покое и при движении.Сила, необходимая для начала скольжения тела, превышает силу, необходимую для его скольжения. В результате мы различаем трение покоя , и кинетическое трение , (также называемое трением скольжения).

Статическое трение

Статическое трение возникает, когда два тела не движутся относительно друг друга (например, конвейерная лента на поверхности ведущего шкива).

Коэффициент статического трения обычно обозначается как µ _s (иногда просто µ или µ _o или µ _A ):

_мкс = статическое трение [-]

FF = фрикционный [Н]

FN = нормальная сила [Н]

Кинетическое трение

Кинетическое трение возникает, когда два тела движутся относительно друг друга (как конвейерная лента на станине ползуна).Объект начинает двигаться, если сила тяги (FA) больше силы трения (FF).

Коэффициент кинетического трения обычно обозначают как μ _k (иногда ㎍ ):

μ _k = кинетическое трение [-]

FA = тяговое усилие [Н]

FN = нормальная сила [Н]

Попробуйте этот эксперимент

Медленно потяните объект, используя пружинную шкалу, и определите силу тяги (FA):

Сила тяги сначала увеличится без движения объекта.Внезапно объект начнет двигаться, и сила тяги уменьшится.

• Максимальная сила тяги незадолго до начала движения объекта представляет собой статическое трение ( µ _s ).
• Среднее значение тягового усилия при движении объекта представляет кинетическое трение ( μ _k ).

Почему статическое трение важно для передачи энергии

Статическое трение играет решающую роль в неположительных приводах.Этот вид трансмиссии имеет место в двух- и многоступенчатых приводах с плоскими ремнями, клиновыми ремнями и поликлиновыми ремнями, а также на ведущем шкиве ленточных конвейеров и приводных роликовых конвейерах.

Коэффициент статического трения необходим для формулы Эйлера-Эйтельвейна.

Коэффициент трения очень чувствителен, с ним связана большая неопределенность, чем со всеми другими факторами, влияющими на способность ремня передавать мощность. Иногда его можно сильно уменьшить из-за едва заметных внешних воздействий, таких как грязь или масляный туман.Это может привести к тому, что ремень полностью проскальзывает на шкивах, так что он больше не передает требуемую мощность. В таких случаях необходимо очистить и ремень, и шкивы.

Ремень будет иметь совершенно разные коэффициенты трения относительно одного и того же шкива в зависимости от того, гладкая ли поверхность ремня, как зеркало, или текстурированная, как ткань. Зеркальная поверхность будет намного больше прилипать к шкиву, но практически потеряет всю адгезию, как только влага или пыль попадут между ней и шкивом.Текстура, напоминающая ткань, немного меньше прилипает, но также гораздо меньше подвержена влиянию влажности и пыли.

То же требование, а именно, что поверхность не должна быть ни слишком гладкой, ни слишком шероховатой, также применяется к шкивам. Вот почему Habasit указывает шероховатость поверхности шкива для шкивов трансмиссии (макс .: CLA = 1,6 ㎛ или Ra = AA 63 мкдюймов).

Очень часто поверхность ведущего шкива в установках с конвейерной лентой покрывается клеящим материалом (например, резиной), чтобы увеличить коэффициент статического трения между шкивом и лентой, тем самым увеличивая грузоподъемность конвейера или уменьшая нагрузка на вал.

Значение кинетического трения в конвейерных установках

Кинетическое трение имеет решающее значение для достижения силы, необходимой для протягивания конвейерной ленты по станине ползуна. Поэтому коэффициент кинетического трения незаменим при расчете конвейерных лент, движущихся по кареткам.

Масло или липкие вещества, а иногда и просто вода между конвейерной лентой и слоем ползуна могут вызывать сцепление ленты (иногда называемое эффектом всасывания), таким образом увеличивая трение и, следовательно, потребление энергии.В худшем случае это может полностью остановить конвейерную ленту.

Хотите узнать больше по этой теме, или у вас есть вопросы о наших конвейерных лентах или ремнях силовой передачи? Пожалуйста свяжитесь с нами. Вы также можете найти множество других статей о наших продуктах и ​​решениях в блоге Habasit Expert.

Возможно, вас также заинтересует:

Рене Гревенгоед (René Grevengoed) — инженер по приложениям, работает в Habasit в Нидерландах с 1996 года.