Сила тертя. Коефіцієнт тертя

Ще однією силою електромагнітної природи є сила тертя. Силою тертя називають тангенціальну складову сили взаємодії молекул поверхонь тіл (зовнішнє тертя), або сила взаємодії в дотичній площині між шарами молекул всередині речовини (внутрішнє тертя). Сила тертя - сила, яка виникає у всіх видах тертя і напрямлена вздовж поверхонь, які торкаються внаслідок переміщення тіл (рис.2.2.31).

Тертя між поверхнями двох твердих тіл, які доторкаються, за відсутності між ними рідкого чи газоподібного шару називають сухим тертям. Тертя між поверхнею твердого тіла і оточуючим його шаром рідини чи газу, в яких це тіло рухається, називають рідким чи в'язким тертям.

Сухе тертя поділяється на: тертя спокою (тертя за відсутності відносного переміщення контактуючих тіл) та тертя ковзання (тертя, що виникає під час відносного руху контактуючих тіл).

Силу тертя F_тер, яка перешкоджає виникненню руху одного тіла відносно поверхні іншого, називають силою тертя спокою. В умовах спокою тіла сила тертя може мати будь-яке значення.

Сила тертя спокою завжди напрямлена протилежно діючій на тіло зовнішній силі, що намагається привести це тіло в рух. До певного моменту сила тертя спокою збільшується із зростанням зовнішньої сили, зрівноважуючи її. Максимальне значення сили тертя спокою пропорційне модулю сили F_тис, що чинить тіло на опору.

Згідно з третім законом Ньютона сила Fтис тіла на опору дорівнює за модулем силі N реакції опори. Тому максимальна сила тертя спокою пропорційна силі реакції опори. Для модулів цих сил справедливе таке співвідношення: F_тер = μ₀N, де μ₀ - безрозмірний коефіцієнт тертя спокою. Значення цього коефіцієнта залежить від матеріалу і стану поверхонь, що труться. В умовах спокою тіла сила тертя може мати будь-які значення - від μ₀N до - μ₀N (рис. 2.2.32).

Сила F_тер._max = μ₀N визначає лише максимальне значення сили тертя і не відповідає ковзанню, оскільки тоді коефіцієнт тертя μ буде знаходитись в складній залежності від швидкості . Відносний рух тіла виникає за умови F_зов. > F_тер._max. Коефіцієнт тертя спокою μ₀ залежить від матеріалу контактуючих тіл, якості обробки їх поверхонь, наявності між ними чужорідних рідин та інших чинників. Його визначають експериментальним шляхом. Нехай тіло (плоский брусок) лежить на похилій площині АВ (рис.2.2.34). На нього діють три сили: сила тяжіння т, сила тертя спокою і сила реакції опори . Нормальна складова сили тяжіння є силою тиску тіла на опору, тобто

Тангенціальна складова сили тяжіння є силою, що намагається зсунути тіло вниз по похилій площині. Якщо кути нахилу a малі, сила зрівноважується силою тертя спокою і тіло на похилій площині перебуває в спокої.

Будемо збільшувати кут нахилу a доти, доки тіло не почне ковзати вниз по похилій площині. Тоді , a

Підставивши значення F_т (2.2.20) і F_н (2.2.21) в рівняння (2.2.19),отримуємо:

Вимірявши максимальний кут, при якому починається ковзання тіла, можна за формулою (2.2.22) обчислити значення коефіцієнта тертя спокою m₀.

Сила тертя ковзання F_тер.к. = μN. Коефіцієнт μ залежить від того, з якого матеріалу виготовлено поверхні тертя і від якості їх обробки. Якщо зробити поверхні більш гладкими, значення μ зменшиться. Однак зменшувати шершавість поверхонь можна лише до певної межі, оскільки у разі дуже гладких (наприклад, полірованих) поверхонь значення m знову збільшується. Відбувається це тому, що молекули тіл з гладкими поверхнями зближаються і сили молекулярного притягання між ними зумовлюють "присипання" тіл, що перешкоджає їх ковзанню.

Дослід показує, що сила тертя не залежить від площі поверхонь тіл, що дотикаються, і від відносного положення тіл. Коефіцієнт тертя, наприклад, ковзана об лід однаковий по всій поверхні льодової доріжки, якщо поверхня льоду скрізь однакова.

Сила тертя залежить не від положення тіла (як сили пружності і гравітації), а від його швидкості. Абсолютне значення сили тертя двох твердих тіл також мало залежить від їх відносної швидкості. Залежність сили тертя від швидкості полягає в тому, що зі зміною напряму швидкості змінюється і напрям сили тертя.

На практиці доводиться як зменшувати, так і збільшувати сили тертя між поверхнями тіл. Для збільшення m поверхні тіл роблять шершавими, нерівними, обробляють їх порошками твердих металів. Для зниження m переходять від сухого тертя до тертя у шарах рідин (внутрішнє тертя). Тертя ковзання змінюють тертям кочення, оскільки коефіцієнт тертя кочення значно менший μ₀.

Змащення суттєво зменшує силу тертя. Наприклад, сталь по сталі після змащення ковзає так само легко, як сталь по льоду (коефіцієнт тертя становить лише 0,04).

Запитання для самоперевірки

1. Які види взаємодій існують в природі? До яких з них належить взаємодія, що приводить до появи сили пружності?

2. Унаслідок чого з'являється сила пружності?

3. Що таке деформація? Яку деформацію називають пружною, а яку пластичною? Назвіть види деформації?

4. За яких умов виникають деформації тіл?

5. Що таке сила пружності? Яка природа цієї сили?

6. Як направлені сили пружності?

7. Що таке реакція опори або підвісу?

8. Які особливості сил пружності?

9. Як формулюється і записується закон Гука?

10. Що називають жорсткістю? Яка одиниця жорсткості в СІ?

11. Побудуйте графік, що ілюструє закон Гука.

12. Які сили називають силами тертя?

13. Наведіть класифікацію основних видів тертя.

14. Яке тертя називають зовнішнім, а яке внутрішнім?

15. Назвіть види зовнішнього тертя. Коли вони виникають?

16. Сформулюйте фізичну суть тертя спокою. Запишіть формулу закону, що визначає модуль сили тертя спокою.

17. Що називається коефіцієнтом тертя спокою?

18. Поясніть, як на досліді визначити значення коефіцієнта тертя спокою, зробивши креслення і розрахунок.

19. У чому полягає фізичний зміст тертя ковзання? Запишіть формулу закону, що визначає модуль сили тертя ковзання.

20. Що називають коефіцієнтом тертя ковзання?

Поиск по сайту: