Чему равняется сила трения. Силы трения покоя и скольжения
1. Для того чтобы тело (книгу, лежащую на столе, ящик, стоящий на полу, и т.п.) сдвинуть с места, к нему нужно приложить силу. При этом при постепенном увеличении силы тело какое-то время будет оставаться в покое, а при определённом значении приложенной силы начнёт перемещаться. Силу, возникающую при непосредственном соприкосновении двух тел, называют силой трения . Эта сила всегда направлена вдоль поверхности соприкосновения.
На книгу, лежащую на столе, действуют в вертикальной плоскости уравновешивающие друг друга силы тяжести \(\vec{F}_т \) , и упругости (реакции опоры), в горизонтальной плоскости действует приложенная к ней сила \(\vec{F} \) . Поскольку книга какое-то время остается неподвижной, то это значит, что в горизонтальной плоскости действует ещё одна сила, равная по модулю силе \(\vec{F} \) и направленная в противоположную ей сторону. Этой силой является сила трения покоя . Чем большая сила прикладывается к телу (пока оно не движется), тем больше сила трения покоя.
Сила трения покоя равна по модулю и направлена противоположно силе, приложенной к покоящемуся телу параллельно поверхности его соприкосновения с другим телом.
2. При некотором значении приложенной к телу силы \(\vec{F} \) оно приходит в движение. В момент начала движения бруска сила трения покоя имеет максимальное значение \(\vec{F}_{тр.max} \) , которое равно силе трения скольжения. Чем больше сила давления тела на поверхность соприкосновения тел перпендикулярно этой поверхности (сила нормального давления), тем больше максимальная сила трения покоя, т.е. \((F_{тр})_{max}=\mu N \) , где \(\mu \) - коэффициент трения.
Максимальная сила трения покоя прямо пропорциональна силе нормального давления.
Сила трения покоя препятствует началу движения тела. С другой стороны, сила трения покоя может быть причиной ускорения движения тела. Так, при ходьбе сила трения покоя \(F_{тр} \) , действующая на подошву, сообщает нам ускорение. Сила \(F \) , равная по модулю силе трения покоя и направленная в противоположную сторону, сообщает ускорение опоре.
3. При движении тела на него тоже будет действовать сила трения, её называют силой трения скольжения . Сила трения скольжения - сила, действующая при скольжении одного тела по поверхности другого и направленная в сторону, противоположную перемещению тела. Она несколько меньше максимальной силы трения покоя и направлена в сторону, противоположную перемещению тела относительно соприкасающегося с ним тела.
Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормального давления: \((F_{тр})_{max}=\mu N \) . В этой формуле \(N \) - сила нормального давления, т.е. сила, действующая перпендикулярно поверхности соприкасающихся тел; \(\mu \) - коэффициент трения. Коэффициент трения характеризует поверхности соприкасающихся тел. Он определяется экспериментально и приводится в таблицах.
Причиной трения являются неровности поверхностей. В случае хорошо отшлифованных поверхностей молекулы, находящиеся на поверхностях тел, располагаются близко друг к другу, и силы межмолекулярного взаимодействия достаточно велики.
4. Если тело катится по поверхности другого тела, то на него тоже действует сила трения. Это - сила трения качения . Она прямо пропорциональна силе нормального давления (реакции опоры) \(N \) и обратно пропорциональна радиусу \(R \) катящегося тела: \(F_{кач}=\mu\frac{N}{R} \) , где \(\mu \) - коэффициент трения качения.
5. Существует целый ряд практических задач, в которых необходим учёт силы трения. Особенно важными являются задачи, связанные с движением транспорта. Хорошо известно, что для избежания аварий следует сохранять определённую дистанцию между автомобилями; в дождливую погоду или в гололедицу она должна быть больше, чем в сухую погоду.
Расстояние, которое проезжает автомобиль при торможении до полной остановки, называют тормозным путём. Рассчитывается тормозной путь но формуле \(s=\frac{v^2}{2a} \) .
Часть 1
1. При измерении коэффициента трения брусок перемещали но горизонтальной поверхности стола и получили значение силы трения \(F_1 \) . Затем на брусок положили груз, масса которого в 2 раза больше массы бруска, и получили значение силы трения \(F_2 \) . При этом сила трения \(F_2 \)
1) равна \(F_1 \)
2) в 2 раза больше \(F_1 \)
3) в 3 раза больше \(F_1 \)
4) в 2 раза меньше \(F_1 \)
2. В таблице приведены результаты измерений силы трения и силы нормального давления при исследовании зависимости между этими величинами.
Закономерность \(\mu=N/F_{тр} \) выполняется для значений силы нормального давления
1) только от 0,4 Н до 2,0 Н
2) только от 0,4 Н до 3 Н
3) только от 0,4 Н до 4,5 Н
4) только от 2,0 Н до 4,5 Н
3. При измерении силы трения брусок перемещали по горизонтальной поверхности стола и получили значение силы трения \(F_1 \) . Затем брусок перемещали, положив его на стол гранью, площадь которой в 2 раза больше, чем в первом случае, и получили значение силы трения \(F_2 \) . Сила трения \(F_2 \)
1) равна \(F_1 \)
2) в 2 раза больше \(F_1 \)
3) в 2 раза меньше \(F_1 \)
4) в 4 раза меньше \(F_1 \)
4. Два деревянных бруска массой \(m_1 \) и \(m_2 \) скользят по горизонтальной одинаково обработанной поверхности стола. На бруски действует сила трения скольжения \(F_1 \) и \(F_1 \) соответственно. При этом известно, что \(F_2=2F_1 \) . Следовательно, \(m_1 \)
1) \(m_1 \)
2) \(2m_2 \)
3) \(m_2/2 \)
4) ответ зависит от значения коэффициента трения
5. На рисунке приведены графики зависимости силы трения от силы нормального давления. Сравните значения коэффициента трения.
1) \(\mu_2=\mu_1 \)
2) \(\mu_2>\mu_1 \)
3) \(\mu_2<\mu_1 \)
4) \(\mu_2>>\mu_1 \)
6. Учащийся выполнял эксперимент по измерению силы трения, действующей на два тела, движущихся по горизонтальным поверхностям. Масса первого тела \(m_1 \) , масса второго тела \(m_2 \) , причем \(m_1 =2m_2 \) . Он получил результаты, представленные на рисунке в виде диаграммы. Какой вывод можно сделать из анализа диаграммы?
1) сила нормального давления \(N_2=2N_1 \)
2) сила нормального давления \(N_1=N_2 \)
3) коэффициент трения \(\mu_1=\mu_2 \)
4) коэффициент трения \(\mu_2=2\mu_1 \)
7. Два автомобиля одинаковой массы движутся один но асфальтовой дороге, а другой - по грунтовой. На диаграмме приведены значения силы трения для этих автомобилей. Сравните значения коэффициента трения (\(\mu_1 \) и \(\mu_2 \) ).
1) \(\mu_2=0.3\mu_1 \)
2) \(\mu_2=\mu_1 \)
3) \(\mu_2=1.5\mu_1 \)
4) \(\mu_2=3\mu_1 \)
8. На рисунке приведён график зависимости силы трения от силы нормального давления. Чему равен коэффициент трения?
1) 0,5
2) 0,2
3) 2
4) 5
9. Санки весом 3 кг скользят по горизонтальной дороге. Сила трения скольжения их полозьев о дорогу 6 Н. Чему равен коэффициент трения скольжения полозьев о дорогу?
1) 0,2
2) 0,5
3) 2
4) 5
10. При движении тела массой 40 кг по горизонтальной поверхности действует сила трения скольжения 10 Н. Какой станет сила трения скольжения при уменьшении массы тела в 5 раз?
1) 1 Н
2) 2 Н
3) 4 Н
4) 5 Н
11. Установите соответствие между физической величиной (левый столбец) и характером её изменения (правый столбец) при увеличении массы бруска, движущегося по столу. В ответе запишите подряд номера выбранных ответов
ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A. Сила трения
Б. Коэффициент трения
B. Сила нормального давления
ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ
1) уменьшается
2) увеличивается
3) не изменяется
12. Из приведённых ниже утверждений выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.
1) Сила трения покоя больше приложенной к телу силе.
2) Сила трения качения меньше силы трения скольжения при той же массе тела.
3) Коэффициент трения скольжения прямо пропорционален силе нормального давления.
4) Сила трения зависит от площади опоры движущегося тела при одинаково обработанной его поверхности.
5) Максимальная сила трения покоя равна силе трения скольжения.
Часть 2
13. Автомобиль, имея скорость 72 км/с, начинает тормозить с выключенным двигателем и проходит путь 100 м. Чему равны ускорение автомобиля и время торможения?
Ответы
Трение - явление, с которым мы сталкиваемся в обыденной жизни постоянно. Определить, трение вредно или полезно, невозможно. Сделать даже шаг на скользком льду представляется тяжелым занятием, на шероховатой поверхности асфальта прогулка доставляет удовольствие. Детали автомобилей без смазки изнашиваются значительно быстрее.
Изучение трения, знание его основных свойств позволяет человеку использовать его.
Сила трения в физике
Сила, возникающая при движении или попытке движения одного тела по поверхности другого, направленная против направления движения, приложенная к движущимся телам, названа силой трения. Модуль силы трения, формула которой зависит от многих параметров, меняется в зависимости от вида сопротивления.
Отличают следующие виды трения:
Скольжения;
Качения.
Любая попытка сдвинуть с места тяжелый предмет (шкаф, камень) приводит к напряжению При этом в движение предмет привести получается не всегда. Мешает покоя.
Состояние покоя
Расчетная трения покоя не позволяет определить ее достаточно точно. В силу действия третьего закона Ньютона величина силы сопротивления покоя зависит от приложенного усилия.
При возрастании усилия растет и сила трения.
0 < F тр.покоя < F max
Не позволяет вбитым в дерево гвоздям выпадать; пуговицы, пришитые нитками, прочно удерживаются на своем месте. Интересно, что шагать человеку позволяет именно сопротивление покоя. Причем направлено оно по ходу движения человека, что противоречит общему положению вещей.
Явление скольжения
При возрастании внешней силы, движущей тело, до значения наибольшей силы трения покоя оно приходит в движение. Сила трения скольжения рассматривается в процессе скольжения одного тела по поверхности другого. Ее значение зависит от свойств взаимодействующих поверхностей и силы вертикального действия на поверхность.
Расчетная формула силы трения скольжения: F=μР, где μ-коэффициент пропорциональности (трения скольжения), Р - сила вертикального (нормального) давления.
Одна из управляющих движением сил - сила трения скольжения, формула которой записывается с использованием силы реакции опоры. Вследствие выполнения третьего закона Ньютона силы нормального давления и реакции опоры одинаковы по величине и противоположны по направлению: Р = N.
Перед тем как найти силу трения, формула которой приобретает иной вид (F=μ N), определяют силу реакции.
Коэффициент сопротивления при скольжении вводится экспериментально для двух трущихся поверхностей, зависит от качества их обработки и материала.
Таблица. Значение коэффициента сопротивления для различных поверхностей
| № пп | Взаимодействующие поверхности | Значение коэффициента трения скольжения |
Сталь+лед | ||
Кожа+чугун | ||
Бронза+железо | ||
Бронза+чугун | ||
Сталь+сталь |
Наибольшая сила трения покоя, формула которой была записана выше, может быть определена так же, как сила трения скольжения.
Это становится важным при решении задач на определение силы движущего сопротивления. К примеру, книга, которую движут рукой, прижатой сверху, скользит под действием силы сопротивления покоя, возникающей между рукой и книгой. Величина сопротивления зависит от значения силы вертикального давления на книгу.
Явление качения
Переход наших предков от волокуш к колесницам считается революционным. Изобретение колеса - величайшее изобретение человечества. возникающее при движении колеса по поверхности, значительно уступает по величине сопротивлению скольжения.
Возникновение сопряжено с силами нормального давления колеса на поверхность, имеет природу, отличающую его от скольжения. Вследствие незначительной деформации колеса возникают разные по величине силы давления в центре образовавшейся площадки и по ее краям. Эта разница сил и определяет возникновение сопротивления при качении.
Расчетная формула силы трения качения обыкновенно берется аналогично процессу скольжения. Различие видно исключительно в значениях коэффициента сопротивления.
Природа сопротивления
При изменении шероховатости трущихся поверхностей меняется и значение силы трения. При большом увеличении две соприкасающиеся поверхности выглядят как неровности с острыми пиками. При наложении именно выступающими частями тела соприкасаются друг с другом. Общая площадь соприкосновения незначительна. При движении или попытке движения тел «пики» создают сопротивление. Величина силы трения не зависит от площади поверхностей соприкосновения.
Представляется, что две идеально гладкие поверхности должны не испытывать сопротивления абсолютно. На практике сила трения в этом случае максимальна. Объясняется это несоответствие природой возникновения сил. Это электромагнитные силы, действующие между атомами взаимодействующих тел.
Механические процессы, не сопровождающиеся трением в природе, невозможны, ведь возможности «отключить» электрическое взаимодействие заряженных тел нет. Независимость сил сопротивления от взаимного положения тел позволяет назвать их непотенциальными.
Интересно, что сила трения, формула которой меняется в зависимости от скорости движения взаимодействующих тел, пропорциональна квадрату соответствующей скорости. К такой силе относится сила вязкого сопротивления в жидкости.
Движение в жидкости и газе
Перемещение твердого тела в жидкости или газе, жидкости вблизи твердой поверхности сопровождается вязким сопротивлением. Его возникновение связывают с взаимодействием слоев жидкости, увлекаемых твердым телом в процессе движения. Разная скорость слоев - источник вязкого трения. Особенность этого явления - отсутствие жидкого трения покоя. Независимо от величины внешнего воздействия тело приходит в движение, находясь в жидкости.
В зависимости от быстроты перемещения сила сопротивления определяется скоростью движения, формой движущегося тела и вязкостью жидкости. Движение в воде и масле одного и того же тела сопровождается различным по величие сопротивлением.
Для небольших скоростей: F = kv, где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от линейных размеров тела и свойств среды, v - скорость тела.
Температура жидкости также влияет на трение в ней. В морозную погоду автомобиль разогревают для того, чтобы масло нагрелось (его вязкость уменьшается) и способствовало уменьшению разрушения соприкасающихся деталей двигателя.
Увеличение скорости движения
Значительное увеличение скорости тела может вызвать появление турбулентных потоков, при этом сопротивление резко возрастает. Значение имеют: квадрат скорости движения, плотность среды и силы трения приобретает иной вид:
F = kv 2 , где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от формы тела и свойств среды, v - скорость тела.
Если телу придать обтекаемую форму, турбулентность можно уменьшить. Форма тела дельфинов и китов - прекрасный пример законов природы, влияющих на скорость животных.
Энергетический подход
Совершить работу по перемещению тела препятствует сопротивление среды. При использовании закона сохранения энергии говорят, что изменение механической энергии равно работе сил трения.
Работа силы рассчитывается по формуле: A = Fscosα, где F - сила, под действием которой тело перемещается на расстояние s, α - угол между направлениями силы и перемещения.
Очевидно, что сила сопротивления противоположна перемещению тела, откуда cosα = -1. Работа силы трения, формула которой имеет вид A тр = - Fs, величина отрицательная. При этом превращается во внутреннюю (деформация, нагревание).
Определение
Силой трения называют силу, которая возникает при относительном перемещении (или попытке перемещения) тел и является результатом сопротивления движению окружающей среды или других тел.
Силы трения возникают тогда, когда соприкасающиеся тела (или их части) перемещаются относительно друг друга. При этом трение, которое появляется при относительном перемещении соприкасающихся тел, называют внешним. Трение, возникающее между частями одного сплошного тела (газ, жидкость) названо внутренним.
Сила трения – это вектор, который имеет направление вдоль касательной к трущимся поверхностям (слоям). При этом эта сила направлена в сторону противодействия относительному смещению этих поверхностей (слоев). Так, если два слоя жидкости перемещаются друг по другу, при этом движутся с различными скоростями, то сила, которая приложена к слою, перемещающемуся с большей скоростью, имеет направление в сторону, которая противоположна движению. Сила же, которая воздействует на слой, который движется с меньшей скоростью, направлена по движению.
Виды трения
Трение, которое возникает между поверхностями твердых тел, называют сухим. Оно возникает не только при скольжении поверхностей, но и при попытке вызвать перемещение поверхностей. При этом возникает сила трения покоя. Внешнее трение, которое появляется между движущимися телами, называют кинематическим.
Законы сухого трения говорят о том, что максимальная сила трения покоя и сила трения скольжения не зависят от площади поверхностей соприкосновения соприкасающихся тел, подверженных трению. Эти силы пропорциональны модулю силы нормального давления (N), которая прижимает трущиеся поверхности:
где – безразмерный коэффициент трения (покоя или скольжения). Данный коэффициент зависит от природы и состояния поверхностей трущихся тел, например от наличия шероховатостей. Если трение возникает как результат скольжения, то коэффициент трения является функцией скорости. Довольно часто вместо коэффициента трения применяют угол трения, который равен:
Угол равен минимальному углу наклона плоскости к горизонту, при котором тело, лежащее на этой плоскости, начинает скользить, под воздействие силы тяжести.
Более точным считают закон трения, который принимает во внимание силы притяжения между молекулами тел, которые подвергаются трению:
где S – общая площадь контакта тел, p 0 – добавочное давление, которое вызывается силами молекулярного притяжения, – истинный коэффициент трения.
Трение между твердым телом и жидкостью (или газом) называют вязким (жидким). Сила вязкого трения становится равной нулю, если скорость относительного движения тел обращается в нуль.
При движении тела в жидкости или газе появляются силы сопротивления среды, которые могут стать существенно больше, чем силы трения. Величина силы трения скольжения зависит от формы, размеров и состояния поверхности тела, скорости движения тела относительно среды, вязкости среды. При не очень больших скоростях сила трения вычисляется при помощи формулы:
где знак минус означает, что сила трения имеет направление в сторону противоположную направлению вектора скорости. При увеличении скоростей движения тел в вязкой среде линейный закон (4) переходит в квадратичный:
Коэффициенты и существенно зависимы от формы, размеров, состояния поверхностей тел, вязкости среды.
Помимо этого выделяют трение качения.В первом приближении трение качения рассчитывают, применяя формулу:
где k – коэффициент трения качения, который имеет размерность длины и зависит от материала тел, подверженных контакту и качеств поверхностей и т.д. N – сила нормального давления, r – радиус катящегося тела.
Единицы измерения силы трения
Основной единицей измерения силы трения (как и любой другой силы) в системе СИ является: [P]=H
В СГС: [P]=дин.
Примеры решения задач
Пример
Задание. На горизонтальном диске лежит маленькое тело. Диск вращается вокруг оси, которая проходит через его центр, перпендикулярно плоскости с угловой скоростью . На каком расстоянии от центра диска может находиться в состоянии равновесия тело, если коэффициент трения между диском и телом равен ?
Решение. Изобразим на рис.1 силы, которые будут действовать на тело, положенное на вращающийся диск.
В соответствии со вторым законом Ньютона имеем:
В проекции на ось Yиз уравнения (1.1) получим:
В проекции на ось X имеем:
где ускорение движения маленького тела равно по модуль нормальной составляющей полного ускорения. Силутрения покоя найдем как:
примем во внимание выражение (1.2), тогда имеем.
Поставим опыт
Толкнем лежащий на столе брусок, сообщив ему некоторую начальную скорость. Мы увидим, что брусок скользит по столу и его скорость уменьшается до полной остановки (на рисунке 17.1 показаны последовательные положения бруска через равные промежутки времени). Как вы уже знаете из курса физики основной школы, тормозит брусок силы трения скольжения, действующая на него со стороны стола.
Силы трения скольжения действуют на каждое из соприкасающихся тел, когда они движутся друг относительно друга.
Эти силы действуют на каждое из соприкасающихся тел (рис. 17.2). Они равны по модулю и противоположны по направлению, потому что связаны третьим законом Ньютона.
Когда брусок скользит по столу, мы не замечаем силу трения скольжения, действующую на стол со стороны бруска, потому что стол прикреплен к полу (или на стол со стороны пола действует довольно большая сила трения покоя, речь о которой пойдет далее).
Если же толкнуть брусок, лежащий на тележке, то под действием силы трения скольжения, действующей на тележку со стороны бруска, тележка станет двигаться с ускорением, а скорость бруска относительно тележки будет уменьшаться.
1. Во сколько раз ускорение бруска относительно стола в этом опыте больше, чем ускорение тележки относительно стола, если масса бруска 200 г, а масса тележки 600 г? Трением между тележкой и столом можно пренебречь.
Силы трения скольжения направлены вдоль поверхности соприкосновения тел. Действующая на каждое тело сила трения направлена противоположно скорости этого тела относительно другого тела.
Силы трения скольжения обусловлены главным образом зацеплением и разрушением неровностей соприкасающихся тел (эти неровности на рисунке 17.3 для наглядности преувеличены). Поэтому обычно чем более гладкие поверхности соприкасающихся тел, тем меньше силы трения между ними.
Однако если сделать соприкасающиеся поверхности очень гладкими (например, отшлифовать их), то сила трения скольжения может увеличиться вследствие действия сил межмолекулярного притяжения.
Выясним, от чего зависит сила трения скольжения.
От чего зависит сила трения скольжения?
Поставим опыт
Будем с помощью динамометра тянуть брусок по столу с постоянной скоростью (рис. 17.4, а), прикладывая к нему горизонтально направленную силу упр.
При движении с постоянной скоростью ускорение бруска равно нулю. Следовательно, силу трения скольжения, действующую на брусок со стороны стола, уравновешивает сила упругости, действующая на брусок со стороны динамометра. Значит, эти силы равны по модулю, то есть динамометр показывает модуль силы трения.
Повторим опыт, положив на брусок другой такой же брусок (рис. 17.4, б). Мы увидим, что сила трения скольжения увеличилась в 2 раза. Заметим теперь, что в этом опыте (по сравнению с опытом с одним бруском) сила нормальной реакции тоже увеличилась в 2 раза.
Изменяя силу нормальной реакции, можно убедиться, что модуль силы трения скольжения Fтр пропорционален модулю силы нормальной реакции N:
F тр.ск = μN. (1)
Как показывает опыт, сила трения скольжения практически не зависит от относительной скорости движения соприкасающихся тел и от площади их соприкосновения.
Коэффициент пропорциональности μ называют коэффициентом трения. Его определяют из опыта (см. лабораторную работу 4). Он зависит от материала и качества обработки соприкасающихся поверхностей. На форзаце задачника (под обложкой) приведены приближенные значения коэффициента трения для некоторых видов поверхностей.
Коэффициент трения шин по мокрому асфальту или по льду в несколько роз меньше коэффициента трения шин по сухому асфальту. Поэтому тормозной путь автомобиля значительно увеличивается во время дождя или гололеда. О скользкой дороге водителей предупреждает дорожный знак (рис. 17.5).
2. Тело массой m движется по горизонтальной поверхности. Коэффициент трения между телом и поверхностью μ.
а) Чему равна сила трения скольжения?
б) С каким по модулю ускорением движется тело, если на него действуют только сила тяжести, сила нормальной реакции и сила трения скольжения?
3. Лежащему на столе бруску сообщили скорость 2 м/с, и он прошел до остановки 1 м (тормозной путь). Чему равен коэффициент трения между бруском и столом?
4. Можно приближенно считать, что на автомобиль при торможении действует сила трения скольжения. Оцените, чему равен тормозной путь автомобиля на сухом асфальте и на льду при начальной скорости 60 км/ч; 120 км/ч. Сравните найденные значения с длиной классной комнаты.
Полученные ответы удивят вас. Наверное, вы станете осторожнее на дороге во время дождя и особенно гололеда.
2. Сила трения покоя
Поставим опыт
Попробуйте сдвинуть с места шкаф (рис. 17.6). Он будет оставаться в покое, даже если прикладывать к нему довольно большую силу.
Какая же сила уравновешивает горизонтально направленную силу, приложенную вами к шкафу? Это сила трения покоя, действующая на шкаф со стороны пола.
Силы трения покоя возникают при попытке сдвинуть одно из соприкасающихся тел относительно другого в том случае, когда тела остаются в покое друг относительно друга. Эти силы препятствуют относительному движению тел.
5. Действует ли сила трения покоя на пол со стороны шкафа (рис. 17.6)?
Причины возникновения силы трения покоя сходны с причинами возникновения силы трения скольжения: наличие неровностей на соприкасающихся поверхностях тел и действие сил межмолекулярного притяжения.
Будем постепенно увеличивать приложенную к шкафу горизонтальную силу. При достижении некоторого ее значения шкаф сдвинется с места н начнет скользить по полу. Следовательно, модуль силы трения покоя Fтр.пок не превышает некоторого предельного значения, называемого максимальной силой трения покоя.
Опыт показывает, что максимальная сила трения покоя немного больше силы трения скольжения. Однако для упрощения решения школьных задач принимают, что максимальная сила трения покоя равна силе трения скольжения:
F тр.пок ≤ μN. (2)
Если тело покоится, то сила трения покоя тр.пок уравновешивает силу , направленную вдоль поверхности соприкосновения тел и стремящуюся сдвинуть тело.
Следовательно, в этом случае
F тр.пок = F. (3)
Обратите внимание: сила трения покоя удовлетворяет двум соотношениям – неравенству (4) и равенству (5). Из них следует неравенство для силы , которая не может сдвинуть тело:
Если же F > μN, то тело начнет скользить, и на него будет действовать сала трения скольжения. В таком случае
F тр = F тр.ск = μN.
Соотношения (3) и (5) иллюстрирует график зависимости силы трения Fтр от приложенной к телу силы F (рис. 17.7).
6. К лежащему на столе бруску массой 1 кг прикладывают горизонтальную силу, равную по модулю F. Коэффициент трения между бруском и столом равен 0,3. Чему равна действующая на брусок со стороны стола сила трения, если F = 2 Н? F = 5 Н?
7. Тягач тянет по горизонтали связку бревен массой 10 т с силой 40 кН. Чему равно ускорение связки, если коэффициент трения между бревнами и дорогой равен 0,3? 0,5?
8. Находящийся на столе брусок массой 1 кг тянут горизонтальной пружиной жесткостью 100 Н/м. Коэффициент трения 0,3. Каково удлинение x пружины, если брусок покоится? движется со скоростью 0,5 м/с?
Может ли сила трение быть движущей силой?
Делая шаг, человек толкает дорогу назад, действуя на нее силой трения покоя тр1: ведь подошва во время толчка покоится относительно дороги (на это иногда указывает четкий отпечаток подошвы) (рис. 17.8, а). Согласно третьему закону Ньютона, со стороны дороги на человека действует такая же по модулю сила трения покоя тр2 , направленная вперед.
Сила трения покоя разгоняет и автомобиль (рис. 17.8, б). Когда колесо катится без проскальзывания, его нижняя точка покоится относительно дороги. Ведущее колесо автомобиля (приводимое во вращение двигателем) толкает дорогу назад, действуя на нее силой трения покоя тр1 . Согласно третьему закону Ньютона, дорога при атом толкает колесо (а вместе с ним и автомобиль) вперед силой трения покоя тр2 . Именно эту силу и называют часто силой тяги.
9. С какой целью локомотивы (электровозы и тепловозы) делают очень массивными?
10. Коэффициент трения между шинами ведущих колес автомобиля и дорогой равен 0,5. Считайте, что сопротивлением воздуха можно пренебречь.
а) С каким максимально возможным ускорением может двигаться автомобиль, если все его колеса – ведущие?
б) Увеличилось бы или уменьшилось максимально возможное ускорение автомобиля, если ведущими были бы только передние или только задние колеса? Обоснуйте свой ответ.
Подсказки. Ускорение автомобиля обусловлено действием силы трения покоя со стороны дороги.
Дополнительные вопросы и задания
11. На рисунке 17.9 приведены графики зависимости силы трения скольжения от силы нормальной реакции при движении по столу трех разных брусков. Между каким бруском и столом коэффициент трения наибольший? Чему он равен?
12. На столе лежит стопка из четырех одинаковых книг массой 500 г каждая (рис. 17.10). Коэффициент трения между обложками книг равен 0,4. Какую горизонтально направленную силу надо приложить, чтобы, придерживая остальные книги:
а) сдвинуть книгу 4?
б) сдвинуть книги 3 и 4 вместе?
в) вытащить книгу 3?
г) вытащить книгу 2?