Сила тертя між дотичними поверхнями твердих тіл. Сила тертя

Тертя виникає на поверхнях зіткнення двох твердих тіл. Воно відіграє важливу роль і в техніці, і в повсякденному житті. Розрізняють три види зовнішнього тертя: тертя спокою, тертя ковзання, тертя кочення. На величину сил тертя і характер їх залежності від швидкості істотно впливають стан поверхонь, їх обробка, наявність забруднень і т.д. Разом з тим величина цих сил залежить від величини нормального тиску між поверхнями. Сила тертя між дотичними твердими тілами володіє характерною рисою: вона не звертається в нуль разом зі швидкістю. Сила тертя, яка існує між дотичними, але не рухомими тілами, носить назву тертя спокою. Величина і напрям сили тертя спокою визначаються величиною і напрямком тієї зовнішньої сили, яка повинна була б викликати ковзання. Сила тертя спокою дорівнює за величиною і протилежна за напрямком зовнішньої силі, що викликала рух. Сила тертя спокою за величиною не може перевищувати деякого певного значення, яке називають максимальною силою тертя спокою (або силою тертя спокою). Поки зовнішня сила не перевищує цього значення, ковзання не виникає (рис. 6.1). За максимальним значенням слід крутий спад і залишається постійна сила тертя ковзання.

Тертя спокою і тертя ковзання не залежить від величини площі дотику твердих тіл. Для даних тел сили тертя спокою і ковзання прямо пропорційні силі тиску N , Яка одночасно стискає обидва тіла:

, , (6.1)

де і - коефіцієнти тертя спокою і ковзання. Величина в більшості випадків змінюється в межах від 0.2 до 0.7; - від 0.2 до 0.5.

Тертя спокою грає в техніці істотну роль. Воно визначає найбільшу величину необхідної рушійної сили для ведучих коліс автомобілів, а також для підошов пішоходів. У місці зіткнення з землею котиться колесо і підошва ноги рухається людини знаходяться в спокої відносно землі. Тому тут діє тертя спокою. Тертя ковзання, навпаки, майже завжди заважає, тому в машинах і апаратах прагнуть по можливості виключити зовнішнє тертя між труться частинами. Його замінюють внутрішнім тертям тонких шарів рідини між взаємно рухомих частин - це називається мастилом.

Лекція 4. Тертя твердих тіл

Тертя зовнішнє, механічне опір, що виникає в площині торкання двох дотичних тіл при їх відносному переміщенні. Сила опору F тр, спрямована протилежно щодо переміщення даного тіла, називається силою тертя, що діє на це тіло. Тертя зовнішнє - дисипативний процес, що супроводжується виділенням тепла, електризацією тіл, їх руйнуванням і т.д.

Розрізняють Тертя зовнішнє ковзання і кочення. тертя ковзання- сила, що виникає при поступальному переміщенні одного з контактуючих тіл щодо іншого і діюча на це тіло в напрямку, протилежному напрямку ковзання.тертя кочення - момент сил, що виникає при коченні одного з двох контактуючих тіл щодо іншого, що перешкоджає коченню.

характеристика тертя ковзання- коефіцієнт тертя ковзання f c - безрозмірна величина, рівна відношенню сили тертя до нормального навантаження; характеристикою тертя кочення є коефіцієнт тертя кочення f k - величина, що має розмірність довжини, являє собою відношення моменту тертя кочення до нормального навантаження. Зовнішні умови (навантаження, швидкість, шорсткість, температура, мастило) впливають на величину Тертя зовнішнього не менш, ніж природа тіл, що труться, змінюючи його в кілька разів.

F з \u003d Fтр. / Mg (4.1)

f к \u003d Fтр.кач. R / mg (4.2)

Механізм виникнення тертя пояснює молекулярно-механічна теорія тертя, в розробку якої внесли великий вклад російські вчені (Б.В. Дерягин, І.В. Крагельський і ін.) І зарубіжні (Боуден, Тейбор, Томлінсон і ін.). Відповідно до цієї теорії тертя має двоїсту молекулярномеханіческую природу. Силу тертя F тр можна уявити як суму молекулярної (адгезійної) F а й механічної (деформаційної) F σ складових:

F тр \u003d F а + F σ.

Молекулярна складова зумовлена \u200b\u200bопором розриву молекулярних або міжатомних зв'язків, які виникають між контактуючими тілами. Механізм цього процесу аналогічний руйнування кристалічної решітки при зсуві. Розсіювання роботи тертя в теплоту пов'язано з пружною деформацією кристалічних решіток. Робота зовнішньої сили переходить в потенційну енергію грат. після

розриву зв'язку потенційна енергія переходить в енергію коливань атомів (тепло).

механічна

складова викликана

опором

пружного і

пластичного

відтискування виступів

контактуючих тіл, що впровадили при русі в

контроповерхності (див. рис. 4.1).

Залежно від умов тертя, а також від структури

тел і міжатомних взаємодій, окремі компоненти

в вираженні

виростати або

зменшуватися.

розрізняють

граничне,

гідродинамічний

(Рідинне)

змішане

Рис 4.1. Пружне і пластичне відтиснення

(Одночасно є елементи сухого, граничного і

матеріалу при ковзанні

гідродинамічного тертя).

У першому випадку контактують несмазиваемие поверхні, покриті окисними плівками і найтоншими шарами молекул газів і води, адсорбованими з довкілля. В цьому випадку сила тертя складається з адгезійної і когезійної складових. Сухе і граничне тертя подібні за своєю

природі і мають загальні закономірності. Причиною є та обставина, що при граничному терті мономолекулярні шари мастила міцно пов'язані з твердою поверхнею, мають твердообразноє властивостями і як би служать продовженням твердої фази. Тому, як і при сухому терті, фактично має місце контакт двох твердих поверхонь. Відмінність проявляється в різних значеннях коефіцієнта тертя.

У другому випадку, крім перерахованих плівок, присутні молекули мастильних матеріалів у вигляді тонкого шару завтовшки в декілька молекул, які міцно пов'язані з поверхнею. Характерним в цьому випадку є зниження як тієї, так і іншої складової.

У третьому випадку шар рідкої мастила повністю розділяє зв'язані поверхні. Адгезионная складова зменшується до нуля.

Численні дослідження показали, що для металів деформационная складова коефіцієнта тертя приблизно в 100 разів менше, ніж адгезионная. Тому коефіцієнт тертя в першому наближенні дорівнює адгезійної складової. Дещо по-іншому справа йде для пластмас і гум. В останньому випадку відмінність знижується більш ніж на порядок, і, якщо гума ковзає по грубо обробленої поверхні, деформационной складової нехтувати не слід.

										Для вимірювання сили тертя застосовують різні трибометр.
										На них вивчають тертя зразків у вигляді дисків, що контактують
										торцями; циліндрів, контактують з твірною, і т.д.
										Найбільш простим і часто використовуваним є трибометр,
										схема якого зображена на рис. 4.2. Зразок 1 прикріплюється до
										пружинному динамометру 3 і притискається до контртіло 2,
										приводиться в движени е.
										Динамометр вимірює силу тертя. Прилад дозволяє досліджувати
										вплив на тертя шорсткості поверхонь, матеріалів пари
										тертя, нормального навантаження, швидкості ковзання, температури,

мастила і багатьох інших факторів.

Мал. 4.2. схема трибометр

Визначення сил і коефіцієнтів зовнішнього тертя. При пружних деформаціях в зонах дотику взаємодія твердих тіл може здійснюватися при ненасиченому і насиченому контакті.

При пружному ненасиченому контактівідстані між окремими зонами контактування досить великі, так що впливом зон друг на друга можна знехтувати. Загальна сила тертя при ковзанні абсолютно жорсткого тіла, що володіє шорсткою поверхнею, щодо більш м'якого тіла, що володіє абсолютно рівною поверхнею, буде дорівнює

F тр \u003d ∫ F i	dnr,

де F i - сила тертя, що виникає на одиничному довільній мікронерівності; n r - число мікронерівностей, що мають однакове впровадження.

Для визначення сили F i розглянемо процеси, що відбуваються в зоні контакту одиничної мікронерівності (рис. 4.3). Деформаційна складова сили тертя виникає внаслідок недосконалої пружності матеріалу, що деформуються шарів. Вона обумовлена \u200b\u200bгістерезисними втратами. Відповідно до досліджень англійського вченого Д. Тейбора

деформационная складова сили тертя дорівнює

	F iдеф \u003d	0,25α
			- μ 2

де E - модуль пружності деформованого матеріалу; μ - коефіцієнт Пуассона цього матеріалу; α ГИСТ - коефіцієнт гістерезисних втрат матеріалу в умовах складного напруженого стану.

Мал. 4.3. розподіл напружень при пружних деформаціях в зоні контакту кулі з плоскою поверхнею тіла, що деформується

молекулярна складовасили тертя обумовлена \u200b\u200bміжатомним і міжмолекулярним взаємодією і дорівнює

Тоді загальну силу тертя, що виникає при ковзанні довільній мікронерівності, можна виразити таким чином

	0,25α			+ (τ 0	+ Β Pri) π Rhi
	1 - μ 2

Сила тертя F тр обчислюється з виразу (4.4), в якому все i -е параметри визначаються через відомі величини. якщо визначити

нормальне навантаження P в залежності від зближення, то можна обчислити коефіцієнт тертя в залежності від зближення f \u003d

F тр / P. Розрахунки показують, що при збільшенні зближення між поверхнями твердих тіл молекулярна складова

коефіцієнта тертя (що містить фрикційні параметри τ 0 і β) зменшується, а деформационная зростає. Залежність коефіцієнта тертя від параметра h / R показана на рис. 4.4.

Мал. 4.4.Завісімость коефіцієнта тертя від зближення

Експериментальні результати.Поведінка матеріалу при терті визначається глибиною поширення пластичної деформації всередину зразка. З ростом нормального тиску на плямах факти-чеського контакту розвиваються спочатку пружні, а потім пластичні деформації. Деякий формозміна, пов'язане з ползучестью матеріалу, відбувається і після, в умовах дії постійного навантаження. Остаточне рівновага встановлюється після того, як площа фактичного контакту виявляється достатньою для забезпе-чення необхідної несучої здатності. Таким чином, після підробітки поверхні встановлюється стаціонарний режим тертя, при якому знос поверхні знаходиться в рівновазі з ростом нових деформованих шарів. На рис. 4.5 і 4.6 приведені залежності коефіцієнта тертя від тиску в сталому режимі граничного змащення при ковзанні зразків зі сталі 36НХТЮ в загартованому і состаренном станах по загартованої сталі 45. Аустенітна сталь 36НХТЮ

відрізняється високу корозійну стійкість,

тому при терті оксидні шари не утворюються,

обумовлює схоплювання вже при незна-

ве навантаженні. більш висока

здатність состаренного сплаву

пояснюється високим межею плинності і

твердістю.

Слід зауважити, що при різних

умовах

експериментальні залежності

коефіцієнта тертя від навантаження, швидкості і

температури можуть бути зростаючими,

убутними,

незмінними

екстренумамі. Параметри тертя - знос і

0.07 0

коефіцієнт тертя залежать від структури

поверхневого шару і кінетики його

Мал. 4.5. Залежність коефіцієнта тертя (k) від тиску

деградації, які, в свою чергу,

для сплаву 36НХТЮ загартованого від 9700 С (а) і состаренного

визначаються зовнішніми умовами. Тому

після гарту при 7500 С протягом 1 години (б).

і існує

необхідність

вивчення

структури і триботехнических властивостей матеріалів в кожному конкретному випадку, стосовно до того чи іншого вузла тертя.

Мал. 4.6. Залежність коефіцієнта тертя

(K) від тиску для сплаву 36НХТЮ загартованого від 9700 С (1) і состаренного після гарту при 7500 С протягом 1 години (2)

Рис.4.7. Залежність коефіцієнта тертя зразка зі сталі 36НХТЮ (а) і міді (б) від швидкості ковзання і навантаження

На рис. 4.7 показані поверхні, утворені значеннями коефіцієнта тертя міді і сплаву 36НХТЮ, в залежності від швидкості ковзання і навантаження. Коефіцієнт тертя міді змінюється по кривій з максимумом в залежності від навантаження при будь-яких швидкостях. Для сплаву 36НХТЮ коефіцієнт тертя при малих швидкостях практично не залежить від прикладається зусилля. Зростання навантаження при великих швидкостях призводить до падіння коефіцієнта тертя. Це свідчить про те, що внесок в силу тертя, обумовлений пластичним перебігом поверхневого шару, зменшується. Таке можливо при зменшенні

в'язкості матеріалу, пов'язаному зі збільшенням збудження при терті. Мабуть, при цьому має значення процес фрагментації поверхневих шарів, який призводить до зростання рухливості складових структуру елементів.

Мал. 4.8. Залежність моменту сили тертя композиційного матеріал TiC-NiCr (а) від навантаження в парі з різними сплавами (б - TiC-NiCr; в - 3В16К; г - композиція на основі бронзи КАМ)

Аналіз параметрів тертя (рис. 4.8) показує, що велику роль в процесі контактування двох матеріалів при їх відносному ковзанні грає тепло, що виділяється на поверхні і в при поверхневому шарі.

Дійсно, прикладом впливу контактної температури на процес тертя може служити поведінка композиційного матеріалу TiC-NiCr при терті в парі з матеріалами, серед яких були КМ TiC-NiCr, стелліт і композиція "твердий сплав - бронза", що розрізняються теплопровідністю. В даних випробуваннях, коли сполучення було в вигляді торцевого ущільнення, відведення тепла із зони тертя може здійснюватися в основному за рахунок теплопровідності контактуючих матеріалів. Оскільки теплопровідність КМ TiCNiCr і стелліта (3В16К) значно менше, ніж у композиції КАМ, розробленої для високонавантажених вузлів тертя, характер тертя повинен відрізнятися. Дійсно, з рис. 4.8, б видно, що тертя пари однакових КМ TiC-NiCr ставати нестабільним вже після кількох хвилин роботи при навантаженні 1 т. Підвищення навантаження до 2 т супроводжується стрибками моменту тертя, що свідчить

		про заклинювання сполучення. У парі зі стелліта КМ TiC-
температура		NiCr також поводиться нестабільно (рис.4.8, в), а при навантаженні
		2 т випробування були припинені через дуже високого
		моменту тертя. Інша проблема може виникнути, коли
		контртіло служив матеріал КАМ. критичне значення
		моменту тертя спостерігалося лише при навантаженні 3 т після
		декількох хвилин роботи (рис. 4.8, г). Мабуть,
		працездатність матеріалу зберігається до тих пір, поки
		температура в зоні тертя (рис. 4.9) не досягне значень,
		при яких відбувається схоплювання.

Мал. 4.9. Схематичне зображення розподілу температури в поверхневому шарі в разі пластичної деформації при терті

Опис презентації по окремим слайдів:

1 слайд

Опис слайда:

Сили тертя між дотичними повехності твердих тіл 10 клас Учитель фізики Л.І. Сметанкін

2 слайд

Опис слайда:

Перед тим як показувати презентацію учням, уважно вивчіть переходи анімацій в кожному слайді. Зверніть увагу на використання «мишки» при роботі з анімованими слайдами. !

3 слайд

Опис слайда:

Спробуйте зрушити пальцем лежить на столі товсту книгу. Спочатку ми зупинимося на так званому сухому терті, тобто терті між поверхнями дотичних твердих тіл. Тертя спокою Ви доклали до книги деяку силу, спрямовану, скажімо, уздовж поверхні столу, а книга залишається в спокої. Факт цей абсолютно звичний, але, якщо вдуматися, досить дивний і незрозумілий. Адже що це значить? Значить, і сила тертя настільки ж зростає. Ви з більшою силою штовхаєте книгу, але вона як і раніше залишається на місці. Книга буде залишатися на місці до тих пір, поки діє на неї сила не досягне певного значення. Отже, між книгою і поверхнею столу виникає сила, спрямована проти тієї сили, з якою ви дієте на книгу, і в точності рівна їй по модулю.

4 слайд

Опис слайда:

Силу тертя, що діє між двома тілами, нерухомими відносно один одного, називають силою тертя спокою. Якщо на тіло діє сила, паралельна поверхні, на якій воно знаходиться і тіло при цьому залишається нерухомим, то це означає, що на нього діє сила тертя спокою Fтр, рівна по модулю і спрямована в протилежний бік силі. Отже, сила тертя спокою визначається діючої на нього силою Інакше кажучи, коли прискорення тіла дорівнює нулю, сила тертя дорівнює по модулю і протилежна за напрямком тій силі, яка поряд з тертям діє на тіло паралельно поверхні його зіткнення з іншим тілом. Найбільше значення сили тертя, при якому ковзання ще не настає, називається максимальною силою тертя спокою. Якщо діюча на покоїться тіло сила хоча б трохи перевищить максимальну силу тертя спокою, то тіло почне ковзати. Якщо паралельно цій поверхні інші сили не діють, то тертя спокою дорівнюватиме нулю. тертя спокою

5 слайд

Опис слайда:

Якщо ми тепер знову виміряємо максимальну силу тертя спокою, то побачимо, що вона збільшилася в стільки разів, у скільки разів збільшилася сила, тобто у 2 рази. Для визначення максимальної сили тертя спокою існує досить простий, але не дуже точний кількісний закон. Навантажимо брусок гирею того ж ваги, що і сам брусок. При цьому сила, з якою брусок діє на стіл перпендикулярно поверхні стола, збільшиться в 2 рази. Але сила відповідно до третього закону Ньютона дорівнює по модулю і протилежна за напрямком силі нормальної реакції опори, що діє на брусок з боку столу. Отже, і сила збільшиться в 2 рази. тертя спокою

6 слайд

Опис слайда:

Навантажуючи брусок різними гирями і вимірюючи кожного разу максимальну силу тертя спокою, ми переконаємося в тому, що максимальне значення модуля сили тертя спокою пропорційно модулю сили нормальної реакції опори. Цей закон вперше встановив експериментально французький фізик Кулон. Якщо позначити модуль максимальної сили тертя спокою через Fтр.макс, то можна записати: Fтр.макс \u003d μF2, де μ - коефіцієнт пропорційності, що називається коефіцієнтом тертя спокою. Коефіцієнт тертя характеризує обидві поверхні, що труться і залежить не тільки від матеріалу цих поверхонь, але і від якості їх обробки. Коефіцієнт тертя визначається експериментально. тертя спокою

7 слайд

Опис слайда:

Від площі зіткнення тіл максимальна сила тертя спокою не залежить. Якщо покласти брусок на меншу грань, то Fтр.макс не зміниться. Сила тертя спокою змінюється в межах від нуля до максимального значення, рівного μF2. тертя спокою

8 слайд

Опис слайда:

Цей зсув триває до тих пір, поки мікроскопічні шорсткості поверхні не розташуються відносно один одного так, що, зачеплю одна за іншу, вони приведуть до появи сили, що врівноважує силу За рахунок чого може відбуватися зміна сили тертя? Справа тут ось у чому. При дії на тіло деякої сили воно злегка (непомітно для ока) зміщується. При збільшенні сили тіло знову трохи зрушиться так, що дрібні нерівності поверхонь по-іншому будуть чіплятися один за одного, і сила тертя зросте. І лише при Fтр.макс ні при якому взаємне розташування шорсткостей поверхні сила тертя не в змозі зрівноважити силу, і почнеться ковзання. тертя спокою

9 слайд

Опис слайда:

При ходьбі і бігу на підошви ніг діє сила тертя спокою, якщо тільки ноги не ковзають. У давній час, коли не дуже добре уявляли собі здатність сили тертя спокою набувати різних значень, сумнівалися, що паровоз зможе їхати по гладких рейках. Думали, що тертя, яке гальмує ведені колеса, дорівнюватиме силі тертя, що діє на провідні колеса. Така ж сила діє на провідні колеса автомобіля (вважаємо провідними задні колеса автомобіля). На ведені колеса також діє сила тертя спокою, але вже гальмує рух, причому ця сила значно менше сили, що діє на провідні колеса (інакше автомобіль не зміг би рушити з місця). Пропонували навіть робити провідні колеса зубчастими і прокладати для них спеціальні зубчасті рейки. тертя спокою

10 слайд

Опис слайда:

При ковзанні сила тертя залежить не тільки від стану поверхонь, що труться, а й від відносної швидкості руху тіл, причому ця залежність від швидкості є досить складною. Тертя ковзання Досвід показує, що часто (хоча і не завжди) на самому початку ковзання, коли відносна швидкість ще мала, сила тертя стає трохи менше максимальної сили тертя спокою. Ви, ймовірно, помічали, що важкий предмет, наприклад ящик, важко зрушити з місця, а потім рухати його стає легше. Це як раз і пояснюється зменшенням сили тертя при появі ковзання з малою швидкістю. Лише потім, у міру збільшення швидкості, вона росте і починає перевершувати Fтр мак. спокою.

11 слайд

Опис слайда:

Залежність модуля сили тертя ковзання від модуля відносної швидкості тіл показана на малюнку При не дуже великих відносних швидкостях руху сила тертя ковзання мало відрізняється від максимальної сили тертя спокою. Тому наближено можна вважати її постійною і рівною максимальній силі тертя спокою: Fтр ≈ Fтр. макс \u003d μN важлива особливість сили тертя ковзання полягає в тому, що вона завжди спрямована протилежно відносної швидкості дотичних тіл. Vтел Vтел

12 слайд

Опис слайда:

Силу тертя ковзання можна зменшити в багато разів за допомогою мастила - найчастіше тонкого шару рідини (зазвичай того чи іншого сорту мінерального масла) - між поверхнями, що труться. Резюме Сила тертя залежить від відносної швидкості руху тіл. У цьому її головна відмінність від сил тяжіння і пружності, що залежать тільки від відстаней. Жодна сучасна машина, наприклад двигун автомобіля або трактора, не може працювати без змащення. Спеціальна система мастила передбачається при конструюванні всіх машин. Зменшення сили тертя Тертя між шарами рідини, прилеглими до твердих поверхонь, значно менше, ніж між сухими поверхнями.

Надіслати свою хорошу роботу в базу знань просто. Використовуйте форму, розташовану нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань в своє навчання і роботи, будуть вам дуже вдячні.

HTML-версії роботи поки немає.
Cкачать архів роботи можна перейшовши за посиланням, яка знаходяться нижче.

подібні документи

Сили, що виникають між дотичними тілами при їх відносному русі. Визначення величини і напрямку сили тертя ковзання, закон Амонтона-Кулона. Види тертя в механізмах і машинах. Зчеплення з поверхнею як забезпечення переміщення.

презентація, доданий 16.12.2014


Характеристика наближених методів визначення коефіцієнта тертя ковзання, особливості його розрахунку для різних матеріалів. Значення і розрахунок сили тертя за законом Кулона. Пристрій і принцип дії установки для визначення коефіцієнта тертя.

лабораторна робота, доданий 12.01.2010


Історія виникнення сили тертя - процесу взаємодії тіл при їх відносному русі (зміщення) або при русі тіла в газоподібному або рідкому середовищі. Виникнення сил тертя ковзання і спокою на стику дотичних тіл, способи зменшення.

реферат, доданий 30.07.2015


Причина виникнення сили тертя і її приклади: рух осі колеса, кулька, що котиться по горизонтальному підлозі. Формули розрахунку сили тертя у фізиці. Роль сили тертя в життєдіяльності на Землі: здійснення ходьби, обертання ведучих коліс екіпажу.

презентація, доданий 16.01.2011


Гравітаційні, електромагнітні та ядерні сили. Взаємодія елементарних частинок. Поняття сили тяжіння і тяжіння. Визначення сили пружності і основні види деформації. Особливості сил тертя і сили спокою. Прояви тертя в природі і в техніці.

презентація, доданий 24.01.2012


Сила тертя як сила, що виникає при зіткненні тіл, спрямована уздовж кордону зіткнення і перешкоджає відносному руху тел. Причини виникнення тертя. Сила тертя спокою, ковзання і кочення. Застосування мастила і підшипників.

презентація, доданий 12.11.2013


Тертя як процес взаємодії твердих тіл при відносному русі або при русі твердого тіла в газоподібному або рідкому середовищі. Види тертя, розрахунок тертя спокою, ковзання і кочення. Розрахунок коефіцієнтів тертя для різних пар поверхонь.

практична робота, доданий 10.05.2010

Третій тип сил, з якими мають справу в механіці, - це сили тертя. Сили тертя, як і сили пружності, мають електромагнітну природу, т. Е. В основі сил тертя лежать електричні сили взаємодії молекул. Головна особливість сил тертя, що відрізняє їх від гравітаційних сил і сил пружності, полягає в тому, що вони залежать від швидкості руху тіл відносно один одного.

Познайомимося спочатку з силами тертя між поверхнями твердих тіл. Ці сили виникають при безпосередньому зіткненні тіл і завжди спрямовані уздовж поверхонь дотику на відміну від сил пружності, спрямованих перпендикулярно цим поверхням. Сила тертя виникає при русі одного тіла по поверхні іншого, але вона може існувати між дотичними твердими тілами, коли ці тіла нерухомі відносно один одного. Завжди сили тертя перешкоджають відносному переміщенню тел.

природа тертя

Причина, по якій книжка не зісковзує зі злегка похилого столу, - шорсткість поверхні столу і обкладинки книги. Ця шорсткість помітна на дотик, а під мікроскопом видно, що поверхня твердого столу найбільше нагадує гірську країну. З цієї ж причини коня потрібно докласти велике зусилля, щоб зрушити з місця важкий вантаж (рис. 3.31). Незліченні виступи чіпляються один за одного, деформуються і не дають книзі або вантажу ковзати. Таким чином, сила тертя спокою викликана тими ж силами взаємодії молекул, що і звичайна сила пружності.

При ковзанні одного тіла по поверхні іншого відбувається «сколювання» горбків, розрив молекулярних зв'язків, нездатних витримати зросле навантаження. Виявити «сколювання» горбків не становить труднощів: результатом такого «сколювання» є зношування деталей.

Здавалося б, чим ретельніше відполіровані поверхні, тим менше повинна бути сила тертя. До певної міри це так. Шліфування знижує, наприклад, силу тертя між двома сталевими брусками, але не безмежно. При подальшому збільшенні гладкості поверхонь сила тертя починає рости. Справа тут в наступному.

У міру згладжування поверхонь вони все щільніше і щільніше прилягають один до одного. Однак до тих пір, поки висота нерівностей перевищує кілька молекулярних радіусів, сили взаємодії між молекулами сусідніх поверхонь (крім самих горбків) відсутні. Адже це дуже короткодействующие сили. Їх дія поширюється на відстані в кілька молекулярних радіусів. Лише при досягненні якогось досконалості шліфування поверхні зблизяться настільки, що сили тяжіння (зчеплення) молекул охоплять значну частину поверхні зіткнення брусків. Ці сили почнуть перешкоджати зміщення брусків відносно один одного, що призводить до збільшення сили тертя спокою.

При ковзанні гладких брусків рвуться молекулярні зв'язки між молекулами на поверхні брусків, подібно до того як у шорстких поверхонь руйнуються зв'язку в самих горбках. Розрив молекулярних зв'язків - ось те головне, чим відрізняються сили тертя від сил пружності, при виникненні яких таких розривів не відбувається. Саме тому сили тертя залежать від швидкості.

Нижче ми розглянемо докладніше окремі види сил тертя.

тертя спокою

Припустимо, що вам потрібно пересунути шафу. Ви дієте на нього з силою, спрямованої горизонтально, але шафа не зрушується з місця.

Це можливо тільки в тому випадку, коли прикладена до шафи сила компенсується (врівноважується) якийсь інший силою. Ця сила, рівна по модулю додається вами силі і спрямована протилежно їй, і є сила тертя спокою.

Сила тертя спокою - це сила, що діє на дане тіло з боку стикається з ним іншого тіла уздовж поверхні зіткнення тіл в разі, коли тіла покояться відносно один одного.

Ви починаєте штовхати шафа сильніше, а він продовжує залишатися на місці. Значить, одночасно зростає і сила тертя спокою.

Сила тертя спокою дорівнює по модулю і спрямована протилежно силі, яка додається до тіла паралельно поверхні зіткнення його з іншим тілом. Якщо паралельно цій поверхні не діють ніякі сили, то сила тертя спокою дорівнює нулю.

Збільшуючи силу, діючу на шафу, ви врешті-решт зрушите його з місця. Отже, сила тертя спокою може змінюватися від нуля до деякого найбільшого значення. Максимальне значення сили тертя, при якому ковзання ще не настає, називається максимальною силою тертя спокою. Якщо діюча на покоїться тіло сила хоча б трохи перевищує максимальну силу тертя спокою, то тіло починає ковзати.

З'ясуємо, від чого залежить максимальна сила тертя спокою. Для цього покладемо на стіл важкий дерев'яний брусок і почнемо тягнути його за допомогою динамометра (рис. 3.32). Показання динамометра в той момент, коли брусок починає рушати з місця, будемо записувати. Вони відповідають максимальній силі тертя спокою (її модулю). Будемо навантажувати брусок гирями, збільшуючи вагу бруска, отже, і силу реакції опори, в два, три рази і т. Д. Зауважимо, що модуль максимальної сили тертя спокою F max теж збільшується в два, три рази і т. Д.

Мал. 3.32

Пройдений нами досвід і безліч інших подібних дослідів дозволяють зробити висновок про те, що максимальне значення модуля сили тертя спокою прямо пропорційно модулю сили реакції опори:

Тут μ - коефіцієнт пропорційності, що називається коефіцієнтом тертя спокою.

Коефіцієнт тертя спокою залежить від матеріалу, з якого виготовлені дотичні тіла, якості обробки їх поверхонь, але, як показує досвід, не залежить від площі їхнього зіткнення. Якщо покласти брусок на меншу грань, ми отримаємо те ж значення для коефіцієнта тертя спокою.

Під час експерименту, зображеному на малюнку 3.32, сила тертя спокою прикладена не тільки до бруска, а й до столу. Дійсно, якщо стіл діє на брусок з силою тертя спокою тр1 направленої ліворуч, то брусок діє на стіл з силою тертя ТР2, спрямованої вправо, при цьому, відповідно до третього закону Ньютона,

Чому ж сила тертя спокою може змінюватися від нуля до максимального значення, рівного μN? Ось як це відбувається. При дії на тіло деякої сили воно злегка (непомітно для ока) зміщується. Цей зсув триває до тих пір, поки мікроскопічні шорсткості поверхні не розташуються так, що, зачеплю один за одного, вони приведуть до появи сили тертя, що врівноважує силу. При збільшенні сили тіло знову трохи зрушиться так, що дрібні нерівності поверхонь по-іншому будуть чіплятися один за одного і сила тертя зросте. Лише при F\u003e F max ні при якому розташуванні поверхонь по відношенню один до одного сила тертя не в змозі зрівноважити силу, і починається ковзання.

тертя ковзання

Коли тіло ковзає по поверхні іншого тіла, на нього теж діє сила тертя - сила тертя ковзання. У цьому можна переконатися на досвіді. Приєднаний до бруска динамометр при рівномірному русі бруска по горизонтальній поверхні (рис. 3.33) показує, що на брусок з боку пружини динамометра діє постійна сила пружності. Згідно з другим законом Ньютона при рівномірному русі бруска (прискорення а \u003d 0) рівнодіюча всіх сил, прикладених до нього, дорівнює нулю. Отже, крім сили пружності (сила тяжіння m і сила реакції опори врівноважуються) під час рівномірного руху на брусок діє сила, рівна по модулю силі пружності, але спрямована протилежно їй. Ця сила і є сила тертя ковзання.

Мал. 3.33

Сила тертя ковзання, як і максимальна сила тертя спокою, залежить від сили реакції опори, від матеріалу тіл, що труться і стану їх поверхонь. Істотно, що сила тертя ковзання залежить також від відносної швидкості руху тіл. По-перше, сила тертя ковзання завжди направлена \u200b\u200bпротилежно відносної швидкості дотичних тіл. Це можна пояснити за допомогою малюнка 3.34, на якому зображені два труться тіла.

Мал. 3.34

Тіло 1 рухається відносно тіла 2 зі швидкістю 1, 2, спрямованої вправо. До тіла 1 прикладена сила тертя тр1 спрямована вліво. Тіло 2 рухається відносно тіла 1 вліво зі швидкістю 2, 1, а доданий до нього сила тертя ТР2 спрямована вправо.

По-друге, модуль сили тертя ковзання залежить і від модуля відносної швидкості тіл, що труться. Залежність модуля сили тертя ковзання від модуля відносної швидкості встановлюється експериментально. Ця залежність показана на малюнку 3.35. При малих відносних швидкостях руху тіл сила тертя ковзання мало відрізняється від максимальної сили тертя спокою. Тому наближено можна вважати її постійною і рівною силі тертя спокою:

Мал. 3.35

Коефіцієнти тертя для деяких матеріалів приведені в таблиці 5.

Таблиця 5

Зауважимо, що модуль сили тертя тр зазвичай менше модуля сили реакції опори. Тому коефіцієнт тертя ковзання менше одиниці. З цієї причини будь-яке тіло легше переміщати волоком, ніж піднімати або переносити.

Сила тертя залежить від відносної швидкості руху тіл. У цьому її головна відмінність від сил тяжіння і пружності, що залежать тільки від координат.

Питання для самоперевірки

• Тіло масою m \u003d 5 кг лежить на горизонтальній поверхні. Коефіцієнт тертя μ \u003d 0,2. На тіло діє горизонтальна сила F \u003d 5 Н. Чому дорівнює сила тертя, якщо тіло залишається в спокої?