Знаходимо силу тертя. Формула сили тертя

Тертя - явище, з яким ми стикаємося в повсякденному житті постійно. Визначити, тертя шкідливо чи корисно, неможливо. Зробити навіть крок на слизькому льоду представляється важким заняттям, на шорсткою поверхні асфальту прогулянка приносить задоволення. Деталі автомобілів без змащення зношуються значно швидше.

Вивчення тертя, знання його основних властивостей дозволяє людині використовувати його.

Сила тертя у фізиці

Сила, що виникає при русі або спробі руху одного тіла по поверхні іншого, спрямована проти напрямку руху, прикладена до рухомих тіл, названа силою тертя. Модуль сили тертя, формула якої залежить від багатьох параметрів, змінюється в залежності від виду опору.

Відрізняють наступні види тертя:

• спокою-

• скольженія-

• кочення.

Будь-яка спроба зрушити з місця важкий предмет (шафа, камінь) призводить до напруження сил людини. При цьому в рух предмет привести виходить не завжди. Заважає цьому тертя спокою.

Стан спокою

Розрахункова формула сили тертя спокою не дозволяє визначити її досить точно. В силу дії третього закону Ньютона величина сили опору спокою залежить від прикладеної зусилля.

При зростанні зусилля зростає і сила тертя.

0 < F_{тр.покоя} < F_max

Тертя спокою не дозволяє вбитих в дерево цвяхах випадать- гудзики, пришиті нитками, міцно утримуються на своєму місці. Цікаво, що крокувати людині дозволяє саме опір спокою. Причому направлено воно по ходу руху людини, що суперечить загальному стану речей.

Явище ковзання

При зростанні зовнішньої сили, рушійною тіло, до значення найбільшої сили тертя спокою воно приходить в рух. Сила тертя ковзання розглядається в процесі ковзання одного тіла по поверхні іншого. Її значення залежить від властивостей взаємодіючих поверхонь і сили вертикального дії на поверхню.

Розрахункова формула сили тертя ковзання: F = mu-Р, де mu - коефіцієнт пропорційності (тертя ковзання), Р - сила вертикального (нормального) тиску.

Одна з керуючих рухом сил - сила тертя ковзання, формула якої записується з використанням сили реакції опори. Внаслідок виконання третього закону Ньютона сили нормального тиску і реакції опори однакові за величиною і протилежні за напрямком: Р = N.

Перед тим як знайти силу тертя, формула якої набуває інший вигляд (F = mu- N), визначають силу реакції.

Коефіцієнт опору при ковзанні вводиться експериментально для двох поверхонь, що труться, залежить від якості їх обробки і матеріалу.

Таблиця. Значення коефіцієнта опору для різних поверхонь

Найбільша сила тертя спокою, формула якої була записана вище, може бути визначена так само, як сила тертя ковзання.

Це стає важливим при вирішенні завдань на визначення сили рушійного опору. Наприклад, книга, яку рухають рукою, притиснутою зверху, ковзає під дією сили опору спокою, що виникає між рукою і книгою. Величина опору залежить від значення сили вертикального тиску на книгу.

Явище кочення

Перехід наших предків від волокуш до колісниць вважається революційним. Винахід колеса - найбільший винахід людства. Тертя кочення, що виникає при русі колеса по поверхні, значно поступається за величиною опору ковзання.

Виникнення сил тертя кочення пов`язане з силами нормального тиску колеса на поверхню, має природу, що відрізняє його від ковзання. Внаслідок незначної деформації колеса виникають різні за величиною сили тиску в центрі утворилася майданчики і по її краях. Ця різниця сил і визначає виникнення опору при коченні.

Розрахункова формула сили тертя кочення звичайно береться аналогічно процесу ковзання. Різниця видно виключно в значеннях коефіцієнта опору.

Природа опору

При зміні шорсткості поверхонь тертя змінюється і значення сили тертя. При великому збільшенні дві дотичні поверхні виглядають як нерівності з гострими списами. При накладенні саме виступаючими частинами тіла стикаються один з одним. Загальна площа зіткнення незначна. При русі або спробі руху тіл «піки» створюють опір. Величина сили тертя не залежить від площі поверхонь дотику.

Видається, що дві ідеально гладкі поверхні повинні не випробовувати опору абсолютно. На практиці сила тертя в цьому випадку максимальна. Пояснюється це невідповідність природою виникнення сил. Це електромагнітні сили, що діють між атомами взаємодіючих тіл.

Механічні процеси, які не супроводжуються тертям в природі, неможливі, адже можливості «відключити» електричне взаємодія заряджених тіл немає. Незалежність сил опору від взаємного положення тіл дозволяє назвати їх непотенційного.

Цікаво, що сила тертя, формула якої змінюється залежно від швидкості руху взаємодіючих тіл, пропорційна квадрату відповідної швидкості. До такої силі відноситься сила в`язкого опору в рідині.

Рух в рідині і газі

Переміщення твердого тіла в рідині або газі, рідині поблизу твердої поверхні супроводжується в`язким опором. Його виникнення пов`язують із взаємодією шарів рідини, захоплюємося твердим тілом в процесі руху. Різна швидкість шарів - джерело в`язкого тертя. Особливість цього явища - відсутність рідкого тертя спокою. Незалежно від величини зовнішнього впливу тіло починає рухатися, перебуваючи в рідині.

Залежно від швидкості переміщення сила опору визначається швидкістю руху, формою рухомого тіла і в`язкістю рідини. Рух у воді і маслі одного і того ж тіла супроводжується різним за велич опором.

Для невеликих швидкостей: F = kv, де k - коефіцієнт пропорційності, що залежить від лінійних розмірів тіла і властивостей середовища, v - швидкість тіла.

Температура рідини також впливає на тертя в ній. У морозну погоду автомобіль розігрівають для того, щоб масло нагрілося (його в`язкість зменшується) і сприяло зменшенню руйнування дотичних деталей двигуна.

Збільшення швидкості руху

Значне збільшення швидкості тіла може викликати появу турбулентних потоків, при цьому опір різко зростає. Значення мають: квадрат швидкості руху, щільність середовища і площа поверхні тіла. Формула сили тертя набуває інший вигляд:

F = kv², де k - коефіцієнт пропорційності, що залежить від форми тіла і властивостей середовища, v - швидкість тіла.

Якщо тілу надати обтічну форму, турбулентність можна зменшити. Форма тіла дельфінів і китів - прекрасний приклад законів природи, що впливають на швидкість тварин.

Енергетичний підхід

Здійснити роботу з переміщення тіла перешкоджає опір середовища. При використанні закону збереження енергії кажуть, що зміна механічної енергії дорівнює роботі сил тертя.

Робота сили розраховується за формулою: A = Fscosalpha-, де F - сила, під дією якої тіло переміщається на відстань s, alpha- - кут між напрямками сили і переміщення.

Очевидно, що сила опору протилежна переміщенню тіла, звідки cosalpha- = -1. Робота сили тертя, формула якої має вигляд A_тр = - Fs, величина негативна. При цьому механічна енергія перетворюється у внутрішню (деформація, нагрівання).