Примеры трения которое может быть полезным
В нашем мире все подчинено определенным законам. Любое действие, совершаемое на Земле, легко объясняется законами мироздания и природы. Что бы ни произошло, это легко объяснить, достаточно лишь немного освежить свои знания в области естествознания. Все законы физики, так или иначе, имеют свое влияние на происходящее в мире. Ну а если говорить о более насущных вещах, то даже на наш повседневный быт влияют законы физики. В особенности это касается силы трения. Что это за сила, и, чем она так знаменита? А главное, какую роль она оказывает на нашу повседневную жизнь?
Сила трения
Что такое сила терния? Сила трения – сила, возникающая при соприкосновении двух тел. Если объяснять это языком, далеким от науки, то, когда два предмета соприкасаются, то их поверхности редко бывают гладкими, поэтому на микроскопическом уровне их поверхности как бы цепляются друг за друга.
Плюсы
У этого природного явления есть много плюсов, которые делают нашу жизнь такой, какая она есть. Причем список этих плюсов достаточно внушительный:
- Мы можем ходить. Если бы силы трения не существовало, то сложно представить, как бы мы перемещались. Наша стопа бы просто не могла бы сцепиться с землей, чтобы оттолкнуть тело в нужном направлении.
- Мы можем стоять. Да-да, без силы трения мы не смогли бы ходить, но и стоять на месте тоже, любое дуновение ветерка могло бы «сдуть» нас куда угодно.
- Мы можем носить в руках предметы. Все, что мы берем в руки не выскальзывает не только потому, что мы крепко держим предмет, а в основном благодаря силе трения.
- Движение с помощью транспорта. Шины автомобилей могут отталкиваться от асфальта и двигать машину только благодаря силе трения. Поезд едет за счет сцепления с рельсами. Самокат, велосипед, ролики и другой транспорт с колесами был бы немыслим без силы трения.
- Борьба с гололедом. По льду ходить затруднительно, а вот по льду, присыпанному песком – другое дело. Благодаря увеличению силы трения, мы можем перемещаться в пространстве даже зимой, когда дороги покрыты льдом.
- Существование предметов. Все предметы соединены не только благодаря силе трения, но она играет очень важную роль. Даже нитки держат нашу одежду благодаря тому, что в физике есть такое явление.
- Предметы могут тормозить. Яркий пример пользы этого явления — аварийные съезды. Во многих горных местностях есть специальные съезды на дорогах на случай, если у машины откажут тормоза. Достаточно поехать в гору некоторое время, тогда в дело вступит сила трения, и машина затормозит самостоятельно.
- Предметы могут стоять. Представьте себе мир, где предметы могут только скользить и кататься. Наверно, это было бы чем-то похоже на космос и состояние невесомости. И попытка просто поставить на стол предмет оканчивалась бы провалом, мало того, что он выскальзывает из рук, так даже если бы это и удалось победить, то все равно, при попытке поставить стакан на стол, он бы просто скользил и падал.
- Фрикционные механизмы. Их действие основывается как раз таки на силе трения. В отличие от зубчатых механизмов, фрикционные сцепляются за счет силы трения. И хотя они не так надежны, их применяют в областях, где важна бесшумность работы, например при изготовлении магнитофонов, проигрывателей, спидометров. Хотя нередко их можно встретить в различных станках, где важность имеют, прежде всего, точность регулирования.
- Защита Земли от комет и метеоритов. За счет силы трения они сгорают еще до того, как успевают приблизиться к земле.
Минусы
Но даже у такой масштабной и важной природной силы есть свои минусы, которые немножко осложняют нам жизнь. Но их не так уж и много:
- Движение тяжелых предметов. Чем меньше сила трения, тем легче сдвинуть предмет. Только вот в обычной жизни сила трения стандартная, что усложняет нам жизнь, когда нужно передвинуть какой-нибудь тяжелый предмет.
- Предметы электризуются из-за силы трения. Конечно, в электризации предметов есть плюсы, но согласитесь, когда одежда бьется током и прилипает к телу, приятного в этом мало. Да и волосы, прилипающие к лицу и трещащие, когда пытаешься их пригладить.
- Затрудняет работу различных механизмов за счет снижения коэффициента полезности действия. Для того чтобы увеличить КПД, приходится использовать различные вещества, которые помогают снизить силу трения.
- Механизмы изнашиваются. Да и не только механизмы: подошва ваших любимых кед стирается, каменные ступеньки становятся скользкими, веревки перетираются, на носках появляются дырки – все это результат работы силы трения.
- Невозможность создания вечного двигателя. Вечный двигатель – безумная мечта миллионов ученых за все время существования науки. Но недостижимая, потому что сила трения рано или поздно заставляет механизм остановиться.
- Механизмы перегреваются. За счет силы трения возникает лишняя энергия, которая становится теплом, а затем нагревает элементы механизма. В некоторых случаях это может даже привести к возгоранию.
- Спортивная скорость. Чтобы достигать высоких результатов, спортсмену необходимо напрячься, чтобы преодолеть силу трения. Многим спортсменам даже приходится брить свое тело, чтобы сделать кожу максимально гладкой. Как они утверждают, это помогает им снизить сопротивление воздуху, уменьшить силу трения и двигаться максимально быстро.
Вывод
Как можно увидеть, эта физическая сила – одна из важнейших вещей, которые существуют на нашей планете. Без этой физической величины наш мир был бы совершенно непохожим на тот, который мы знаем. Да, несомненно, были бы какие-то мелкие плюсы, но минусов было бы намного больше, ведь в природе ничего не бывает просто так. Все продуманно и подчиняется определенным законам, которые создают для нас тот мир, который мы привыкли видеть.
Любое движение в природе и технике, которое предполагает наличие физического контакта между твердыми телами, сопровождается возникновением трения. В данной статье приведем примеры силы трения и покажем, в каких случаях она играет полезную роль, а в каких является нежелательной.
Какие виды трения между твердыми телами бывают
В данной статье рассмотрим только примеры сил трения, которые действуют между твердыми объектами, имеющими физический контакт друг с другом.
Одним из важных видов трения является трение покоя. Исходя из самого названия, можно предположить, что оно проявляется, когда одно тело на поверхности другого покоится. Каждый знает, чтобы с места сдвинуть какой-нибудь тяжелый предмет, необходимо приложить некоторую внешнюю силу, направленную вдоль поверхности контакта этого предмета и поверхности, на которой он стоит. Противодействие этой силе оказывает сила трения покоя. Действует она между поверхностями соприкосновения тел. Трение покоя возникает из-за наличия шероховатости на касающихся поверхностях, какими бы гладкими они ни являлись.
Второй вид трения, который мы рассмотрим, это трение скольжения. Возникает оно также по причине упомянутой шероховатости, когда тела начинают движение относительно друг друга с помощью скольжения. Направление и точка приложения силы трения скольжения являются точно такими же, как для трения покоя. Единственным отличием между этими силами является то, что сила скольжения всегда меньше, чем сила покоя.
Третьим видом трения, который играет не меньшую роль в технике, чем первые два, является трение качения. Как говорит его название, появляется оно, когда одно тело катится по поверхности другого. Причина трения качения заключается в гистерезисе деформации, который приводит к “распылению” кинетической энергии катящегося тела. В ряде практических случаев эта сила трения в 10-100 и более раз меньше, чем предыдущие рассмотренные виды трения.
Все виды сил трения прямо пропорциональны силе реакции опоры, с которой последняя действует на рассматриваемое тело.
Вред и польза силы трения покоя: примеры
Из всех названных видов трения, пожалуй, трение покоя является самым “безобидным”. Дело в том, что оно на практике играет практически всегда полезную роль. Единственный его отрицательный момент заключается в том, что оно больше трения скольжения. Последний факт означает, что для любого начала движения необходимо приложить большое усилие. Например, чтобы начать движение на лыжах по снегу, сначала следует буквально “оторвать” их от снежной поверхности.
Существует масса примеров пользы силы трения покоя. Перечислим их:
- Гвозди и шурупы, которые прочно скрепляют два твердых тела из дерева, пластика и металла, выполняют свои функции благодаря действию рассматриваемой силы.
- Ходьба человека, езда автомобилей по дорогам осуществляется благодаря тому, что трение покоя оказывается бо́льшим, чем трение скольжения. В противном бы случае, нам тяжело было бы двигаться, люди и транспортные средства скользили бы на одном месте.
- Любые тела, которые покоятся на наклонных поверхностях, обязаны действию трения покоя. Если бы последнего не было, то невозможно было бы поставить на ручной тормоз автомобиль на косогоре или любой бытовой предмет на стол, который имеет небольшой наклон к горизонту.
Трение скольжения и его польза
В отличие от трения покоя, которое в основном играет положительную роль в жизнедеятельности человека, трение скольжения, как правило, является вредной силой. Тем не менее, можно привести два примера полезной силы трения скольжения:
- Поскольку трение скольжения приводит к разогреванию поверхности предметов (естественный и самый простой способ перевода механической энергии в тепловую), то этот эффект можно использовать для увеличения температуры тел. Так, в древности наши предки с помощью трения скольжения добывали огонь.
- Когда водитель хочет остановить транспортное средство, то он нажимает на педаль тормоза. При этом тормозные диски скользят внутри обода колеса и тормозят его вращение.
Вред трения скольжения
Примеры действия силы трения скольжения – это движение шкафа по полу, когда мы хотим переставить его в комнате, скольжение лыжника и конькобежца, проскальзывание колес автомобиля при их блокировки или при движении по скользкой дороге, проскальзывание между трущимися деталями механизмов различных машин.
Во всех названных случаях трение скольжения играет вредную роль. Названные примеры вреда силы трения скольжения связаны с тем, что она препятствует механическому движению и “съедает” некоторую долю кинетической энергии (лыжи, коньки, движущиеся части машин). Кроме того, перевод части механической энергии в тепловую приводит к разогреву трущихся деталей. Повышение же их температуры приводит к изменению микроскопической структуры, что нарушает свойства материалов. Наконец, перечисленные примеры силы трения скольжения приводят к износу трущихся поверхностей, появлению на них нежелательных борозд, утончению.
Трение качения и его вред и польза
Если рассмотреть в корне вопрос пользы силы трения качения, то окажется, что ее нет вовсе. Действительно, трение качения всегда препятствует механическому вращению, оно приводит к износу рабочих деталей и к их нежелательному нагреву. Тем не менее явление качения широко используется в технике (подшипники, колеса транспортных средств). Объясняется это тем, что сила трения качения намного меньше аналогичной силы скольжения, что на порядки снижает масштаб ее вредного влияния.
Увеличение и уменьшение сил трения
Как мы видели выше в примерах, силы трения покоя и скольжения иногда оказываются полезными, а иногда вредными. В связи с этим человечество с давних времен использует способы для изменения масштаба действия трения как в сторону увеличения соответствующей силы, так и в сторону ее уменьшения.
Яркими примерами, как увеличить силу трения, является посыпание песком и солью льда на дорогах. В результате этих действий происходит увеличение шероховатости ледяной поверхности и, как следствие, увеличение сил трения покоя и скольжения.
Еще один способ увеличения рассматриваемых сил заключается в использовании специальных поверхностей. Ярким примером является поверхность зимней покрышки автомобиля, которая характеризуется глубоким протектором и наличием металлических шипов.
Во время катания на лыжах, а также при вращении подшипников различных механизмов трение играет отрицательную роль. Для его уменьшения используют специальные смазки, как правило, на основе жиров (воск, литол).
Определение силы трения
Когда мы говорим «абсолютно гладкая поверхность» — это значит, что между ней и телом нет трения. Такая ситуация в реальной жизни практически невозможна. Избавиться от трения полностью невероятно трудно.
Чаще при слове «трение» нам приходит в голову его «тёмная» сторона — из-за трения скрипят и прекращают качаться качели, изнашиваются детали машин. Но представьте, что вы стоите на идеально гладкой поверхности, и вам надо идти или бежать. Вот тут трение бы, несомненно, пригодилось. Без него вы не сможете сделать ни шагу, ведь между ботинком и поверхностью нет сцепления, и вам не от чего оттолкнуться, чтобы двигаться вперёд.
Трение — это взаимодействие, которое возникает в плоскости контакта поверхностей соприкасающихся тел.
Сила трения — это величина, которая характеризует это взаимодействие по величине и направлению.
Основная особенность:сила трения приложена к обоим телам, поверхности которых соприкасаются, и направлена в сторону, противоположную мгновенной скорости движения тел друг относительно друга. Поэтому тела, свободно скользящие по какой-либо горизонтальной поверхности, в конце концов остановятся. Чтобы тело двигалось по горизонтальной поверхности без торможения, к нему надо прикладывать усилие, противоположное и хотя бы равное силе трения. В этом заключается суть силы трения.
Откуда берётся трение
Трение возникает по двум причинам:
- Все тела имеют шероховатости. Даже у очень хорошо отшлифованных металлов в электронный микроскоп видны неровности. Абсолютно гладкие поверхности бывают только в идеальном мире задач, в которых трением можно пренебречь. Именно упругие и неупругие деформации неровностей при контакте трущихся поверхностей формируют силу трения.
- Между атомами и молекулами поверхностей тел действуют электромагнитные силы притяжения и отталкивания. Таким образом, сила трения имеет электромагнитную природу.
Виды силы трения
В зависимости от вида трущихся поверхностей, различают сухое и вязкое трение. В свою очередь, оба подразделяются на другие виды силы трения.
- Сухое трение возникает в области контакта поверхностей твёрдых тел в отсутствие жидкой или газообразной прослойки. Этот вид трения может возникать даже в состоянии покоя или в результате перекатывания одного тела по другому, поэтому здесь выделяют три вида силы трения:
- трение скольжения,
- трение покоя,
- трение качения.
- Вязкое трение возникает при движении твёрдого тела в жидкости или газе. Оно препятствует движению лодки, которая скользит по реке, или воздействует на летящий самолёт со стороны воздуха. Интересная особенность вязкого трения в том, что отсутствует трение покоя. Попробуйте сдвинуть пальцем лежащий на земле деревянный брус и проделайте тот же эксперимент, опустив брус на воду. Чтобы сдвинуть брус с места в воде, будет достаточно сколь угодно малой силы. Однако по мере роста скорости силы вязкого трения сильно увеличиваются.
Сила трения покоя
Рассмотрим силу трения покоя подробнее.
Обычная ситуация: на кухне имеется холодильник, его нужно переставить на другое место.
Когда никто не пытается двигать холодильник, стоящий на горизонтальном полу, трения между ним и полом нет. Но как только его начинают толкать, коварная сила трения покоя тут же возникает и полностью компенсирует усилие. Причина её возникновения — те самые неровности соприкасающихся поверхностей, которые деформируясь, препятствуют движению холодильника. Поднатужились, увеличили силу, приложенную к холодильнику, но он не поддался и остался на месте. Это означает, что сила трения покоя возрастает вместе с увеличением внешнего воздействия, оставаясь равной по модулю приложенной силе, ведь увеличиваются деформации неровностей.
Пока силы равны, холодильник остаётся на месте:
Сила трения, которая действует между поверхностями покоящихся тел и препятствует возникновению движения, называется силой трения покоя.
Сила трения скольжения
Что же делать с холодильником и можно ли победить силу трения покоя? Не будет же она расти до бесконечности?
Зовём на помощь друга, и вдвоём уже удаётся передвинуть холодильник. Получается, чтобы тело двигалось, нужно приложить силу, большую, чем самая большая сила трения покоя:
Теперь на движущийся холодильник действует сила трения скольжения. Она возникает при относительном движении контактирующих твёрдых тел.
Итак, сила трения покоя может меняться от нуля до некоторого максимального значения — Fтр. пок. макс И если приложенная сила больше, чем Fтр. пок. макс, то у холодильника появляется шанс сдвинуться с места.
Теперь, после начала движения, можно прекратить наращивать усилие и ещё одного друга можно не звать. Чтобы холодильник продолжал двигаться равномерно, достаточно прикладывать силу, равную силе трения скольжения:
Как рассчитать и измерить силу трения
Чтобы понять, как измеряется сила трения, нужно понять, какие факторы влияют на величину силы трения. Почему так трудно двигать холодильник?
Самое очевидное — его масса играет первостепенную роль. Можно вытащить из него все продукты и тем самым уменьшить его массу, и, следовательно, силу давления холодильника на опору (пол). Пустой холодильник сдвинуть с места гораздо легче!
Следовательно, чем меньше сила нормального давления тела на поверхность опоры, тем меньше и сила трения. Опора действует на тело с точно такой же силой, что и тело на опору, только направленной в противоположную сторону.
Сила реакции опоры обозначается N. Можно сделать вывод
Второй фактор, влияющий на величину силы трения, — материал и степень обработки соприкасающихся поверхностей. Так, двигать холодильник по бетонному полу гораздо тяжелее, чем по ламинату. Зависимость силы трения от рода и качества обработки материала обеих соприкасающихся поверхностей выражают через коэффициент трения.
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.
Для тела, движущегося по горизонтальной поверхности, сила реакции опоры по модулю равна весу тела:
Сила трения качения
Ещё древние строители заметили, что если тяжёлый предмет водрузить на колёсики, то сдвинуть с места и затем катить его будет гораздо легче, чем тянуть волоком. Вот бы пригодилась эта древняя мудрость, когда мы тянули холодильник! Однако всё равно нужно толкать или тянуть тело, чтобы оно не остановилось. Значит, на него действует сила трения качения. Это сила сопротивления движению при перекатывании одного тела по поверхности другого.
Причина трения качения — деформация катка и опорной поверхности. Сила трения качения может быть в сотни раз меньше силы трения скольжения при той же силе давления на поверхность. Примерами уменьшения силы трения за счёт подмены трения скольжения на трение качения служат такие приспособления, как подшипники, колёсики у чемоданов и сумок, ролики на прокатных станах.
Направление силы трения
Сила трения скольжения всегда направлена противоположно скорости относительного движения соприкасающихся тел. Важно помнить, что на каждое из соприкасающихся тел действует своя сила трения.
Бывают ситуации, когда сила трения не препятствует движению, а совсем наоборот.
Представьте, что на ленте транспортёра лежит чемодан. Лента трогается с места, и чемодан движется вместе с ней. Сила трения между лентой и чемоданом оказалась достаточной, чтобы преодолеть инерцию чемодана, и эти тела движутся как одно целое. На чемодан действует сила трения покоя, возникающая при взаимодействии соприкасающихся поверхностей, которая направлена по ходу движения ленты транспортёра.
Если бы лента была абсолютно гладкой, то чемодан начал бы скользить по ней, стремясь сохранить своё состояние покоя. Напомним, что это явление называется инерцией.
Сила трения покоя, помогающая нам ходить и бегать, также направлена не против движения, а вперёд по ходу перемещения. При повороте же автомобиля сила трения покоя и вовсе направлена к центру окружности.
Для того чтобы понять, как направлена сила трения покоя, нужно предположить, в каком направлении стало бы двигаться тело, будь поверхность идеально гладкой. Сила трения покоя в этом случае будет направлена как раз в противоположную сторону. Пример, лестница у стены.
Подведём итоги
- Сила трения покоя меняется от нуля до максимального значения 0 < Fтр.покоя < Fтр.пок.макс в зависимости от внешнего воздействия.
- Максимальная сила трения покоя почти равна силе трения скольжения, лишь немного её превышая. Можно приближенно считать, что Fтр. = Fтр.пок.макс
- Силу трения скольжения можно рассчитать по формуле Fтр. = μ ⋅ N, где μ — коэффициент трения, N — сила нормальной реакции опоры.
- При равномерном прямолинейном скольжении по горизонтальной поверхности сила тяги равна силе трения скольжения Fтр. = Fтяги.
- Коэффициент трения μ зависит от рода и степени обработки поверхностей 0 < μ < 1 .
- При одинаковых силе нормального давления и коэффициенте трения сила трения качения всегда меньше силы трения скольжения.
Учите физику вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду PHYSICS72020 вы получите бесплатный доступ к курсу физики 7 класса, в котором изучается закон силы трения.
Задачи на силу трения
Проверьте, насколько хорошо вы разобрались в теме «Сила трения», — решите несколько задач. Решение — приведено ниже. Но чур не смотреть, пока не попробуете разобраться сами.
- Однажды в день открытия железной дороги произошёл конфуз: угодливый чиновник, желая выслужиться перед Николаем I, приказал выкрасить рельсы белой масляной краской. Какая возникла проблема и как её удалось решить с помощью сажи?
- В один зимний день бабушка Нюра катала внука Алексея по заснеженной горизонтальной дороге. Чему равен коэффициент трения полозьев о снег, если сила трения, действующая на санки, равна 250 Н, а их масса вместе с Алексеем составляет 50 кг?
- На брусок массой m = 5 кг, находящийся на горизонтальной шероховатой поверхности μ = 0,7, начинает действовать сила F = 25 Н, направленная вдоль плоскости. Чему при этом равна сила трения, действующая на брусок?
Решения
- Масляная краска снизила коэффициент трения между колёсами и рельсами, что привело к пробуксовке, поезд не смог двигаться вперёд. Посыпав рельсы сажей, удалось решить проблему, так как коэффициент трения увеличился, и колёса перестали буксовать.
- Санки находятся в движении, следовательно, на них будет действовать сила трения скольжения, численно равная Fтр. = μ ⋅ N, где N — сила реакции опоры, которая, при условии горизонтальной поверхности, равняется весу санок с мальчиком: N = m ⋅ g. Получаем формулу Fтр. = μ ⋅ m ⋅ g , откуда выразим искомую величину
Ответ задачи зависит от того, сдвинется ли брусок под действием внешнего воздействия. Поэтому вначале узнаем значение силы, которую нужно приложить к бруску для скольжения. Это будет максимально возможная сила трения покоя, определяющаяся по формуле Fтр. = μ ⋅ N , где N = m ⋅ g (при условии горизонтальной поверхности). Подставляя значения, получаем, что Fтр. = 35 Н. Данное значение больше прикладываемой силы, следовательно брусок не сдвинется с места. Тогда сила трения покоя будет равна внешней силе: Fтр. = F = 25 H .