Трение покоя

Наблюдения показывают, что сила трения покоя всегда направлена противоположно действующей на тело внешней силе, стремящейся привести это тело в движение. До определенного момента сила трения покоя увеличивается с возрастанием внешней силы, уравновешивая последнюю. Максимальное значение силы трения покоя пропорционально модулю силы F_д давления, производимого телом на опору.

По третьему закону Ньютона сила F_д давления тела на опору равна по модулю силе N реакции опоры. Поэтому максимальная сила трения покоя пропорциональна силе реакции опоры. Для модулей этих сил справедливо следующее соотношение:

F_п=f_пN,     (2.19)

где f_п - безразмерный коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения покоя. Значение этого коэффициента зависит от м атериала и состояния трущихся поверхностей.

Определить значение коэффициента трения покоя можно следующим образом. Пусть тело (плоский брусок) лежит на наклонной плоскости АВ (рис. 23). На него действуют три силы: сила тяжести F, сила трения покоя F_п и сила реакции опоры N. Нормальная составляющая F_п силы тяжести представляет собой силу давления F_д, производимого телом на опору, т. е.

F_Н=F_д.    (2.20)

Тангенциальная составляющая F_т силы тяжести представляет собой силу, стремящуюся сдвинуть тело вниз по наклонной плоскости.

При малых углах наклона a сила F_т уравновешивается силой трения покоя F_п и тело на наклонной плоскости покоится (сила N реакции опоры по третьему закону Ньютона равна по модулю и противоположна по направлению силе F_д, т. е. уравновешивает ее).

Будем увеличивать угол наклона a до тех пор, пока тело не начнет скользить вниз по наклонной плоскости. В этот момент

F_т=F_пmax    (2.21)

Подставив в формулу (2.19) выражения (2.20) и (2.21), получим

f_п=F_т/F_н    (2.22)

Из рис. 23 видно, что

F_т=Fsin = mg sin; F_н=Fcos = mg cos.

Подставив эти значения F_т И F_н в формулу (2.22), получим

f_н=sin/cos=tg.    (2.23)

Измерив угол , при котором начинается скольжение тела, можно по формуле (2.25) вычислить значение коэффициента трения покоя f_п.

Виды кинематического трения

Трение скольжения возникает при скольжении одного твердого тела по поверхности другого. Закон для трения скольжения имеет вид

F_c= f_cN,     (2.24)

где F_c - модуль силы трения скольжения; f_c - безразмерный коэффициент трения скольжения; N - модуль силы реакции опоры. Значение f_c зависит от того, из каких веществ изготовлены трущиеся поверхности и от качества их обработки. Если сделать поверхности более гладкими, значение f_c уменьшится. Однако уменьшать шероховатость поверхностей можно лишь до определенного предела, так как при очень гладких (например, полированных) поверхностях значение f_c вновь увеличивается. Происходит это потому, что молекулы тел с гладкими поверхностями близко подходят друг к другу и силы молекулярного притяжения между ними вызывают "прилипание" тел, препятствующее их скольжению. Трение качения возникает при качении (без скольжения) твердых тел круглой формы по поверхности других твердых тел.

П ричина появления трения качения заключается в следующем. Под действием силы тяжести круглое твердое тело (например, шар или колесо), находящееся на плоской поверхности, деформируется, вследствие чего оно опирается не на одну точку, а на площадку больших или меньших размеров. Это приводит к тому, что, когда тело начинает катиться, точка А приложения реакции опоры смещается немного вперед от вертикали, проходящей через центр тяжести тела, а линия действия силы реакции опоры R отклоняется немного назад от этой вертикали (рис. 24). При этом нормальная составляющая R_н = N реакции опоры компенсирует силу тяжести F (т.е. R_н =-F), а не скомпенсированная тангенциальная составляющая R_т реакции опоры направлена против движения тела и играет роль силы трения качения F_к. Модуль силы трения качения F_к определяют по закону

F_к = K_к·N/r     (2.25)

где K_к-безразмерный коэффициент трения качения; N=R_н - модуль нормальной составляющей силы реакции опоры; r - радиус катящегося тела.

Если мы сравним между собой коэффициенты всех видов внешнего трения для каких-либо двух материалов, из которых изготовлены соприкасающиеся тела, то увидим, что f_п>f_c>K_k, т. е. при прочих равных условиях наибольшим является трение покоя, а наименьшим - трение качения.