Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения)



alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

Как известно, в природе не существует абсолютно гладких и абсолютно твердых тел, поэтому при перемещении одного тела по поверхности другого возникает сопротивление, которое называется трением.

Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения)

Трение – явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкасания поверхностей по касательной к ним.

Трение – явление чрезвычайно распространенное в природе и имеющее большое значение. При этом оно может выполнять и полезные, и вредные функции. На трении основана работа фрикционных и ременных передач, муфт, наклонных транспортеров, прокатных станов, тормозных устройств и т. п.

Трение обеспечивает сцепление тел с земной поверхностью и, следовательно, работу машин, тракторов и другой транспортной самоходной техники.

При отсутствии трения мы не могли бы ходить по земле, поскольку наши ноги скользили бы и разъезжались в разные стороны, как у неумелого конькобежца на гладком льду.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Формулы периметра прямоугольника

Оценим за полчаса!

Наряду с полезными свойствами, трение является во многих устройствах и механизмах вредным сопротивлением, которое отнимает львиную долю мощности и энергии у машин. Для уменьшения трения в механизмах конструкторам приходится применять различные приемы и способы, чтобы снизить непродуктивные потери энергии.

Трение классифицируют по характеру движения, в результате которого оно возникает. Различают трение покоя, трение скольжения, трение качения и трение качения с проскальзыванием. Очевидно, что последний из перечисленных видов трения является комбинацией трения скольжения и трения качения.

Трением покоя называется трение двух тел при начальном (бесконечно малом) относительном перемещении в момент перехода от состояния покоя к состоянию относительного движения.

Это явление можно объяснить шероховатостью поверхностей соприкасающихся тел, а также их деформацией, вызванной взаимным давлением друг на друга. Кроме того, при таком взаимном давлении (контакте) между телами, на их поверхностях возникают силы молекулярного сцепления.

Для того, чтобы начать взаимное перемещение тел, необходимо преодолеть все эти факторы, обуславливающие трение покоя.

Трением движения называется трение двух тел, находящихся в относительном движении. Рассмотрим основные виды трения в зависимости от характера относительного движения тел.

***

Трение скольжения

Трением скольжения называется трение движения, при котором скорости тел в точке касания различны по значению и (или) направлению. Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения) Трение скольжения, как и трение покоя, обусловлено, прежде всего, шероховатостью и деформацией поверхностей, а также наличием молекулярного сцепления прижатых друг к другу тел. Трение скольжения сопровождается изнашиванием, т. е. отделением или остаточной деформацией материала, а также нагревом трущихся поверхностей тел (остаточной называется деформация, не исчезающая после прекращения действия внешних сил). Трение характеризуется силой трения.

Сила трения есть сила сопротивления относительному перемещению двух тел при трении.

Рассмотрим тело, лежащее на горизонтальной шероховатой плоскости (см. рисунок 1). Сила тяжести G уравновешивается нормальной реакцией плоской поверхности N.

Если к телу приложить небольшую движущую силу P, то оно не придет в движение, так как эта сила будет уравновешиваться силой трения Fтр, которая является, таким образом, составляющей реакции опорной плоскости, направленной вдоль плоскости в противоположную перемещению сторону.

Если постепенно увеличивать сдвигающую силу P, то до определенного ее значения тело будет оставаться в покое, а затем придет в движение.

Очевидно, что сила трения в состоянии покоя может изменяться в зависимости от степени микросмещения может изменяться от нуля до какого-то максимального значения Fmaxтр, причем в промежутке между нулем и максимальным значением сила трения Fтр по модулю всегда равна сдвигающей силе P.

Максимальное значение сила трения покоя имеет в момент начала относительного движения. Это значение называется наибольшей силой трения покоя или просто силой трения покоя.

  • Сила трения всегда направлена в сторону, противоположную направлению относительного движения тела.
  • В XVIII веке французские ученые Гийом Атонтон (1663-1705), а затем Шарль Огюстен Кулон (1736-1806) провели фундаментальные исследования в области трения, и на основе их сформулировали три основных закона трения скольжения, которые обычно называют законами Кулона.
  • ***

1-й закон Кулона

Cила трения не зависит от величины площади трущихся поверхностей.

Первый закон можно объяснить с помощью следующих умозаключений. Если площадь трущихся поверхностей увеличится, то увеличится и количество сцепляющихся неровностей, но уменьшится давление на опорную поверхность, которое обратно пропорционально площади контакта тел. Поэтому сопротивление относительному перемещению останется прежним.

***

2-й закон Кулона

Максимальная сила трения прямо пропорциональна нормальной составляющей внешних сил, действующих на поверхности тела.

Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения)

Второй закон Кулона говорит о том, что если увеличится нормальная составляющая внешних сил, действующих на поверхности тела (иначе говоря, увеличится сила нормального давления или реакции), то во столько же раз возрастет максимальная сила трения.

Поскольку зависимость эта прямо пропорциональная, можно выделить коэффициент, характеризующий ее пропорциональность. Этот коэффициент называется коэффициентом трения скольжения, и определяется он, как отношение силы трения Fтр к нормальной составляющей N внешних сил, действующих на поверхности тела.

Обозначается коэффициент трения скольжения f. При наибольшей силе трения покоя коэффициент трения называют коэффициентом сцепления.

  1. Таким образом,
  2. f = Fтр/N    или    Fтр = fN.
  3. В результате второй закон трения скольжения можно сформулировать так: сила трения равна коэффициенту трения скольжения, умноженному на силу нормального давления или реакции.
  4. Очевидно, что коэффициент трения скольжения – величина безразмерная.

Нормальная реакция N опорной поверхности и сила трения Fтр дают равнодействующую R, которая называется полной реакцией опорной поверхности (см. рисунок 2).

R = N + Fтр.

Полная реакция R составляет с нормалью к опорной поверхности некоторый угол. Максимальное значение этого угла (достигает в момент начала относительного движения) называется углом трения и обозначается φ. Из рисунка 2 очевидно, что

f = tgφ,

т. е. коэффициент трения скольжения равен тангенсу угла трения.

Если коэффициент трения скольжения одинаков для всех направлений движения, то множество (геометрическое место) полных реакций образует круговой конус, который называется конусом трения (см. рисунок 2). Если для разных направлений движения коэффициент трения неодинаков (например, при скольжении по дереву вдоль волокон и поперек волокон), то конус трения будет некруговым (несимметричным).

  • Свойство конуса трения заключается в том, что для равновесия тела, лежащего на шероховатой поверхности, равнодействующая приложенных к нему активных сил должна проходить внутри конуса трения.
  • Действительно, если равнодействующую P активных сил, приложенных к телу, разложить на составляющие P2 (движущая сила) и P2 (сила нормального давления), то
  • P1 = P2 tgα.
  • По второму закону трения скольжения
  • Fтр = fP2 = P2 tgφ.
  • Следовательно, при α < φ будет P1 < Fтр и движение окажется невозможным.
  • ***
  • Сила трения зависит от материала тел, состояния трущихся поверхностей и рода смазки.



Согласно третьему закону трения скольжения, коэффициент трения скольжения зависит от материалов трущихся тел, качества обработки их поверхности (степени шероховатости), рода и температуры смазки. В зависимости от наличия между сопрягаемыми поверхностями слоя смазки трение подразделяется на два вида: трение без смазочного материала (сухое трение) и трение в условиях смазки.

Коэффициент трения скольжения определяют опытным путем; значения его для различных условий приведены в справочниках. Примеры коэффициентов трения для некоторых материалов приведены ниже.

  • Металл по металлу без смазки ……. 0,15…0,30
  • То же, со смазкой ………………………0,10…0,18
  • Дерево по дереву без смазки …….. 0,40…0,60
  • Кожа по чугуну без смазки ………… 0,30…0,50
  • То же, со смазкой ………………………… 0,15
  • Сталь по льду ……………………………… 0,02
  1. Коэффициент трения скольжения при движении обычно меньше, чем при покое, и в первом приближении не зависит от скорости относительного перемещения тел.
  2. Методы решения задач статики при наличии трения остаются такими же, как и при отсутствии его, причем в уравнения равновесия обычно вводят максимальные значения сил трения.
  3. ***

Трение на наклонной поверхности

Рассмотрим тело, лежащее на шероховатой наклонной плоскости, составляющей угол α с горизонтальной плоскостью (см. рисунок 3). Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения) Разложим силу тяжести тела G на составляющие G1 и G2, параллельную и перпендикулярную наклонной плоскости. Модули этих составляющих определим, используя тригонометрические зависимости:

  • G1 = G sinα;    G2 = G cosα.
  • Составляющая G1 стремится сдвинуть тело вдоль наклонной плоскости. Полностью или частично эта составляющая уравновешивается силой трения; согласно второму закону трения скольжения, ее максимальное значение равно:
  • Fтр = fN = fG cosα,     где f – коэффициент трения скольжения тела по наклонной плоскости.

Для того, чтобы тело, лежащее на наклонной плоскости, находилось в равновесии, движущая сила G1 должна быть по модулю равна силе трения Fтр ,т. е.

  1. G sinα = fG cosα    или     tgα = f = tgφ, откуда следует, что α = φ.
  2. Если угол, который наклонная плоскость составляет с горизонтом, будет равен углу трения, то тело, лежащее на наклонной плоскости ,будет под действием собственной силы тяжести либо равномерно скользить вниз, либо находиться в состоянии покоя (что, собственно, одно и то же).
  3. Для того, чтобы тело, лежащее на наклонной плоскости, заведомо не скользило вниз под действием собственной силы тяжести, должно быть соблюдено условие α < φ.

Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения)

Наклонной плоскостью с переменным углом наклона к горизонту пользуются для экспериментального определения угла трения φ и коэффициента трения f (см. рисунок 4а).

Определим модуль силы Р, параллельной наклонной плоскости, в случае равномерного перемещения тела вверх по шероховатой наклонной плоскости (см. рисунок 4б). Спроецируем силы, действующие на тело, на ось x. Составим уравнение равновесия:

ΣX = 0;    P – G sinα – Fтр = 0.

Так как Fтр = fG cosα, то P = G sinα + fG cosα или после преобразований: P = G (tgα + f).

Определим модуль горизонтальной силы Р, которую надо приложить к телу для равномерного перемещения его вверх по шероховатой наклонной плоскости (см. рисунок 5).

Применим геометрическое условие равновесия плоской системы сил (размерами тела пренебрегаем) и построим замкнутый силовой многоугольник, соответствующий уравнению равновесия:

Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения)

  • G + P + N + Fтр = 0.
  • Из треугольника abc имеем: P = Gtg(α + φ).
  • Этот случай движения имеет место при взаимном перемещении винта и гайки с прямоугольной резьбой, так как резьбу винта можно рассматривать как наклонную плоскость, угол наклона которой равен углу подъема винтовой линии.

Трение в резьбе, имеющей треугольный или трапецеидальный профиль, подобно трению в клинчатом ползуне. Поэтому рассмотрим клинчатый ползун с углом заострения 2β, нагруженный вертикальной силой Q (см. рисунок 6). Определим силу P, необходимую для равномерного перемещения ползуна вдоль горизонтальных направляющих, если коэффициент трения скольжения равен f.

  1. Составим два уравнения равновесия ползуна:
  2. ΣX = 0;    P – 2Fтр = 0; ΣY = 0;    2Nsinβ – Q = 0,
  3. где Fтр – сила трения на каждой грани ползуна; N – нормальная реакция направляющей.
  4. Решая эту систему уравнений и учитывая, что Fтр = fN, получим:
  5. P = (f/sinβ)Q = f’Q,
  6. где f’ = f/sinβ – приведенный коэффициент трения.
  7. Соответствующий этому приведенному коэффициенту угол трения обозначим φ’ и назовем приведенным углом трения, тогда:
  8. f’ = tgφ’.
  9. Очевидно, что f’> f, следовательно, при прочих равных условиях трение в клинчатом ползуне больше трения на плоскости.
  10. Понятие приведенного коэффициента трения условно, так как он изменяется в зависимости от угла заострения клинчатого ползуна.

Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения)

  • По аналогии с движением тела вверх по наклонной плоскости под действием горизонтальной силы для равномерного перемещения клинчатого ползуна по направляющим, наклоненным к горизонту под углом α, нужно приложить горизонтальную силу равную
  • P = Q tg(α + φ’).
  • Трение в крепежной метрической резьбе подобно трению клинчатого ползуна с углом заострения 2β = 120˚, для трапецеидальной резьбы угол 2β = 150˚.

С трением связано понятие угла естественного откоса — наибольшим углом между наклонной плоскостью и горизонтом, при котором сыпучее тело удерживает свои частицы на поверхности, без их движения (осыпания) вниз. Угол естественного откоса сыпучего тела равен углу трения между его частицами. Этот угол приходится принимать во внимание, например, при различных земляных работах на уклонах и скатах.

***

Трение качения



Главная страница

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

Источник: http://k-a-t.ru/tex_mex/11-statika_trenie/index.shtml

Трение, его виды. Трение скольжения и трение качения. Сила и коэффициент трения. Борьба с износом трущихся деталей

  • Трение (фрикционное взаимодействие) – процесс взаимодействия тел при их относительном движении (смещении) либо при движении тела в газообразной или жидкой среде.
  • Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется трибология (механика фрикционного взаимодействия).
  • Трение принято разделять на:
  • сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями / смазками (в том числе и твёрдыми смазочными материалами) – очень редко встречающийся на практике случай; характерная отличительная черта сухого трения – наличие значительной силы трения покоя;
  • граничное, когда в области контакта могут содержаться слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и так далее) – наиболее распространённый случай при трении скольжения;
  • жидкостное (вязкое), возникающее при взаимодействии тел, разделённых слоем твёрдого тела (порошком графита), жидкости или газа (смазки) различной толщины – как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость, величина вязкого трения характеризуется вязкостью среды;
  • смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
  • эластогидродинамическое (вязкоупругое), когда решающее значение имеет внутреннее трение в смазывающем материале. Возникает при увеличении относительных скоростей перемещения.

Сила трения – это сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их относительному движению.

Причины возникновения силы трения:

Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения)

Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения)

  • шероховатость соприкасающихся поверхностей;
  • взаимное притяжение молекул этих поверхностей.

Трение скольжения – сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих / взаимодействующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения.

Трение качения – момент сил, возникающий при качении одного из двух контактирующих / взаимодействующих тел относительно другого.

Трение покоя – сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга.

Читайте также:  Формула тейлора для разложения функции

Сила трения прямо пропорциональна силе нормальной реакции, то есть зависит от того, насколько сильно тела прижаты друг к другу и от их материала, поэтому основной характеристикой трения является коэффициент трения, который определяется материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел. [1]

Износ – изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия вследствие разрушения (изнашивания) поверхностного слоя при трении. [2]

Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения)

Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения)

Работа любой машины неизбежно сопровождается трением при относительном движении её частей, поэтому полностью устранить износ невозможно. Величина износа при непосредственном контакте поверхностей прямо пропорциональна работе сил трения.

Абразивный износ частично вызывается действием пыли и грязи, поэтому очень важно содержать оборудование в чистоте, особенно её трущиеся части.

Для борьбы с износом и трением заменяют одни металлы другими, более устойчивыми, применяют термическую и химическую обработку трущихся поверхностей, точную механическую обработку, а также заменяют металлы различными заменителями, изменяют конструкцию, улучшают смазку (изменяют вид, вводят присадки) и т.д.

В машинах стремятся не допускать непосредственного трения скольжения твёрдых поверхностей, для чего или разделяют их слоем смазки (жидкостное трение), или же вводят между ними добавочные элементы качения (шариковые и роликовые подшипники).

Основное правило конструирования трущихся деталей машин состоит в том, что более дорогой и трудно заменяемый элемент трущейся пары (вал) изготовляют из более твёрдого и более износоустойчивого материала (твёрдая сталь), а более простые, дешёвые и легко заменяемые части (вкладыши подшипников) изготовляют из сравнительно мягкого материала с небольшим коэффициентом трения (бронза, баббит).

Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения)

Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения)

Большинство деталей машин выходят из строя именно вследствие износа, поэтому уменьшение трения и износа даже на 5-10% даёт огромную экономию, что имеет исключительное значение. [3]

Перечень ссылок

Вопросы для контроля

  1. Что такое трение?
  2. Какие существуют разновидности трения?
  3. Что приводит к возникновению силы трения?
  4. Как классифицируют трение в зависимости от действующих сил?
  5. Что такое износ и как с ним борются?

Источник: https://eam.su/trenie-ego-vidy-trenie-skolzheniya-i-trenie-kacheniya-sila-i-koefficient-treniya-borba-s-iznosom-trushhixsya-detalej.html

Вред и польза силы трения: трение скольжения, покоя и качения :

Сила трения встречается буквально на каждом шагу. Но знают ли люди, зачем она нужна? В чем вред и польза силы трения? Попробуем разобраться.

Предисловие

На земные объекты действует несколько сил, которые тесно взаимосвязаны между собой и влияют на жизнедеятельность тел. Прежде всего, это сила тяжести, упругости (внутреннее сопротивление тел в ответ на смещение их молекул) и реакции опоры.

Но есть еще она очень важная физическая величина, называемая силой трения. Она в отличие от силы тяготения и упругости не зависит от расположения тел. При ее изучении действуют иные законы: коэффициент трения скольжения и сила реакции опоры.

Например, если понадобится сдвинуть тяжеловесный шкаф, то с первой же минуты станет понятно, что сделать это непросто. Кроме того, при выполнении данной задачи присутствуют определенные помехи.

Что же препятствует усилиям, приложенным к шкафу? А мешает этому не что иное, как сила трения, принцип действия которой изучают еще в школе. Курс физики за 7 класс подробно рассказывает об этом явлении.

Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения)

Что у нас под ногами?

С ней люди сталкиваются очень часто. Польза трения в том, что мы бы и шагу ступить не смогли, не будь этой физической величины. Именно она удерживает нашу обувь на той поверхности, куда мы ступаем.

Каждый из нас ходил по очень скользким поверхностям, например, по льду, и не понаслышке знает, что это очень тяжело.

Почему так происходит? Прежде чем рассказать о том, в чем вред и польза силы трения, определимся с тем, что это такое.

Суть понятия

Силой трения называется взаимодействие двух тел, возникающее в месте их соприкосновения и препятствующее их движению относительно друг друга. Различают несколько видов трения – покоя, скольжения и качения.

Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения)

Причины возникновения

Первая из причин заключается в неизменной шероховатости поверхностей. Именно этот показатель влияет на то, какой вид силы трения будет иметь место.

Если речь идет о гладких поверхностях, например, о покрытой металлом крыше или о ледяных участках, то их шероховатость почти не видна, однако это не значит, что ее нет – она присутствует на микроскопическом уровне. В этом случае будет действовать сила трения скольжения.

Но если говорить о шкафе, стоящем на ковре, то здесь шероховатости двух объектов будут значительно препятствовать взаимному движению. Второй причиной является электромагнитное молекулярное отталкивание, которое происходит в месте контакта объектов.

Трение покоя

Что происходит в случае, когда мы пытаемся сдвинуть с места шкаф, однако нам не удается переместить его ни на сантиметр. Что удерживает предмет на одном месте? Это сила трения покоя. Дело в том, что приложенные усилия компенсируются силой сухого трения, возникающей между шкафом и полом.

Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения)

Вред и польза силы трения покоя

Именно сила трения покоя не дает самостоятельно развязаться шнуркам на наших ботинках, выпасть гвоздю, который мы только что вбили в стену, удерживает на месте шкаф.

Без нее было бы невозможно передвигаться по земной поверхности ни людям, ни животным, ни автомобилям. Вред трения также присутствует.

Он бывает в довольно глобальных масштабах, например, сила трения покоя может привести к деформации обшивки кораблей.

Научное обоснование

Для того чтобы передвинуть шкаф, необходимо приложить к нему силу, которая превзойдет трение. То есть до тех пор, пока применяемые усилия меньше показателя силы трения, мебель останется на месте. Помимо указанных факторов, есть еще сила реакции опоры, которая направленна перпендикулярно плоскости.

Она зависит от материала, из которого сделан пол (здесь задействована также сила упругости). Также существует коэффициент трения, зависящий от того, из чего состоят обе поверхности, взаимодействующие друг с другом.

Поэтому сила трения, действующая на шкаф, равняется коэффициенту трения, который умножается на силу реакции опоры (поверхности).

Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения)

Трение скольжения

Итак, чтобы пересилить трение, мы попросили кого-нибудь нам помочь сдвинуть шкаф с места. Что мы обнаружили? Что после того, как мы приложили силу, которая превысила силу трения покоя, шкаф не только сместился, но и некоторое время продолжал двигаться в необходимую сторону, разумеется, с нашей помощью.

А потраченные усилия были примерно одинаковы в течение всего пути. В этом случае нам препятствовала сила трения скольжения, направленная в противоположную от приложенного воздействия сторону. Стоит заметить, что ее сопротивление гораздо ниже, нежели у силы трения покоя.

Чтобы снизить этот показатель, при необходимости применяются различные смазочные материалы.

Сила трения качения

Если мы вспомним, что когда-нибудь придется двигать шкаф обратно, то решим оснастить его колесиками. В этом случае возникающее взаимодействие будет называться трением качения, поскольку предмет уже будет не скользить, а катиться по поверхности.

Катящиеся колесики будут немного вдавливаться в ковер, образовывая бугорок, который нам необходимо будет преодолеть. Этим и обуславливается сила трения качения. Разумеется, если мы покатим шкаф не по ковру, а, например, по паркету, то переместить его будет еще легче, за счет того, что поверхность паркета тверже поверхности ковра.

По той же причине велосипедистам ехать по шоссе куда проще, чем по пляжу с мелким песком.

Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения)

Неоднозначный вопрос

В чем состоит вред и польза силы трения любого типа? Разумеется, приведенные примеры несколько утрированы – в жизни все немного сложнее. Однако несмотря на то, что сила трения имеет очевидные минусы, создающие ряд сложностей в жизни, ясно, что без нее проблем было бы гораздо больше. Поэтому у данной величины есть свои недостатки и преимущества.

Негативные примеры

Среди примеров вреда этой силы на одном из первых мест стоит проблема перемещения тяжеловесных грузов, быстрого изнашивания любимых вещей, а также невозможности создать вечный двигатель, поскольку из-за трения любое движение рано или поздно прекращается, требуя стороннего вмешательства.

Положительные моменты

Среди примеров полезности этой силы то, что мы можем спокойно ходить по земле, не поскальзываясь на каждом шагу, наша одежда прочно сидит и мгновенно не приходит в негодность, поскольку нити ткани удерживаются благодаря трению. Кроме того, люди используют принцип действия этой силы, посыпая скользкие дороги, из-за чего удается избежать множества аварий и травм.

Выводы

Человечество научилось взаимодействовать с данной физической величиной, увеличивая и уменьшая ее в зависимости от поставленных целей. Наша непосредственная задача – попытаться использовать ее максимально эффективно.

Источник: https://www.syl.ru/article/256195/mod_vred-i-polza-silyi-treniya-trenie-skoljeniya-pokoya-i-kacheniya

Сила трения: польза и вред

Если вы попробуете сдвинуть тяжелый шкаф, полный вещей, то как-то сразу станет понятно, что не так все просто, и что-то явно мешает благому делу наведения порядка.

  • И мешать движению будет не что иное, как работа силы трения, которую изучают в курсе физики седьмого класса.

С трением мы сталкиваемся на каждом шагу. В прямом смысле этого слова. Вернее было бы сказать, что без трения мы и шагу ступить не можем, так как именно силы трения удерживают наши ноги на поверхности.

Любой из нас знает, что такое ходить по очень скользкой поверхности – по льду, если этот процесс вообще можно назвать ходьбой. То есть, мы сразу видим очевидные плюсы силы трения. Однако, прежде чем говорить о пользе или вреде сил трения, рассмотрим для, начала, что такое сила трения в физике.

Сила трения в физике и ее виды

Взаимодействие, которое возникает в месте соприкосновения двух тел и препятствует их относительному движению, называют трением. А силу, которая характеризует это взаимодействие, называют силой трения.

  • Различают три вида трения: трение скольжения, трение покоя и трение качения. 

Трение покоя

В нашем случае, когда мы пытались сдвинуть шкаф с места, мы пыхтели, толкали, краснели, но не сдвинули шкаф ни на дюйм. Что удерживает шкаф на месте? Сила трения покоя. Теперь другой пример: если мы положим руку на тетрадь и будем двигать ее по столу, то тетрадь будет двигаться вместе с нашей рукой, удерживаемая все той же силой трения покоя.

Трение покоя удерживает вбитые в стену гвозди, мешает самопроизвольно развязываться шнуркам, а также держит на месте наш шкаф, чтобы мы, случайно опершись на него плечом, не задавили любимого кота, который вдруг улегся подремать в тишине и покое между шкафом и стеной.

Трение скольжения

Вернемся к нашему пресловутому шкафу. Мы, наконец, сообразили, что сдвинуть его в одиночку нам не удастся и позвали на помощь соседа. В конце концов, исцарапав весь пол, вспотев, напугав кота, но, так и не выгрузив вещи из шкафа, мы передвинули его в другой угол.

Что мы обнаружили, кроме клубов пыли и не обклеенного обоями куска стены? Что, когда мы приложили силу, превышающую силу трения покоя, шкаф не просто сдвинулся с места, но и (с нашей помощью, естественно) продолжил двигаться дальше, до нужного нам места. И усилия, которые приходилось затрачивать на его передвижение, были примерно одинаковы на всем протяжении пути.

  • В данном случае нам мешала сила трения скольжения. Сила трения скольжения, как и сила трения покоя, направлена в сторону, противоположную приложенному воздействию.

Трение качения

В случае, когда тело не скользит по поверхности, а катится, то, возникающее в месте контакта трение, называют трением качения. Катящееся колесо немного вдавливается в дорогу, и перед ним образуется небольшой бугорок, который приходится преодолевать. Именно этим и обусловлено трение качения.

Чем тверже дорога, тем меньше трение качения. Именно поэтому ехать по шоссе намного легче, чем по песку. Трение качения в подавляющем большинстве случаев ощутимо меньше трения скольжения. Именно поэтому повсеместно применяют колеса, подшипники и так далее.

Причины возникновения сил трения

Первая – это шероховатость поверхности. Это хорошо понятно на примере досок пола или поверхности Земли. В случае же более гладких поверхностей, например, льда или покрытой металлическими листами крыши, шероховатости почти не видны, но это не значит, что их нет. Эти шероховатости и неровности цепляются друг за друга и мешают движению.

Вторая причина – это межмолекулярное притяжение, которое действует в местах контакта трущихся тел. Однако, вторая причина проявляется, в основном, лишь в случае очень хорошо отполированных тел. В основном же, мы имеем дело с первой причиной возникновения сил трения. И в таком случае, чтобы уменьшить силу трения, часто применяют смазку.

  • Слой смазки, чаще всего жидкий, разъединяет трущиеся поверхности, и трутся между собой слои жидкости, сила трения в которых в разы меньше.

Сочинение на тему «Сила трения»

В курсе физики седьмого класса школьникам дают задание написать сочинение на тему «Сила трения». Примером сочинения на эту тему может служить примерно такая фантазия:

«Допустим, решили мы на каникулах съездить к бабушке в гости на поезде. И не в курсе того, что как раз в это время вдруг, ни с того ни с сего, пропала сила трения. Проснулись, встаем с кровати и падаем, так как силы трения между полом и ногами нет.

Начинаем обуваться, и не можем завязать шнурки, которые не держатся из-за отсутствия силы трения. С лестницей вообще туго, лифт не работает – он уже давно лежит в подвале. Пересчитав копчиком абсолютно все ступени и доползя как-то до остановки, обнаруживаем новую беду: ни один автобус не остановился на остановке.

Чудом сели в поезд, думаем, какая красота – тут хорошо, топлива уходит меньше, так как потери на трение сведены к нулю, быстрее доедем. Но вот в чём беда: силы трения между колёсами и рельсами нету, а, значит, и оттолкнуться поезду не от чего! Так что, в общем, как-то и не судьба съездить к бабушке без силы трения.»

Польза и вред силы трения

Конечно же, это фантазия, и она полна лирических упрощений. В жизни все немного по-другому. Но, по сути, несмотря на то, что есть очевидные минусы силы трения, которые создают для нас ряд сложностей в жизни, очевидно, что без существования сил трения, проблем было бы куда как побольше. Так что нужно говорить, как о вреде сил трения, так и о пользе все тех же сил трения.

Примерами полезных сторон сил трения можно назвать то, что мы можем ходить по земле, что наша одежда не разваливается, так как нитки в ткани удерживаются благодаря все тем же силам трения, что насыпав на обледеневшую дорогу песок, мы улучшаем сцепление с дорогой, дабы избежать аварии.

Ну а вредом силы трения является проблема перемещения больших грузов, проблема изнашивания трущихся поверхностей, а также невозможность создания вечного двигателя, так как из-за трения любое движение рано или поздно останавливается, требуя постоянного стороннего воздействия.

Люди научились приспосабливаться и уменьшать, либо увеличивать силы трения, в зависимости от необходимости. Это и колеса, и смазка, и заточка, и многое другое. Примеров масса, и очевидно, что нельзя однозначно сказать: трение – это хорошо или плохо. Но оно есть, и наша задача – научиться использовать его на пользу человека.

Нужна помощь в учебе?

Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения) Предыдущая тема: Связь между силой тяжести и массой тела: динамометр.
Следующая тема:   Трение в природе, быту и технике: еще больше ПРИМЕРОВ

Источник: http://www.nado5.ru/e-book/sila-treniya-trenie-skolzheniya-trenie-pokoya

Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения)

Силы трения всегда направлены вдоль соприкасающихся поверхностей противоположно движению тела. При изменении направления скорости изменяется направление сил трения.

Силы трения, как и силы упругости, имеют электромагнитную природу. Они возникают вследствие взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел.

Силы трения отличаются от гравитационных сил и сил упругости тем, что эти силы зависят не только от конфигурации тел, т. е. от их взаимного расположения, но также еще от относительных скоростей взаимодействующих тел.

Читайте также:  Формула гидроксида в химии

Виды трения

Если силы трения действуют между различными соприкасающимися телами (например, между телом и плоскостью, по которой оно движется или находится в покое), то такое трение называется внешним. Чисто внешнее трение является сухим трением, оно возникает в том случае, если между телами отсутствует слой смазки.

Силы сухого трения существенно зависят от степени обработки соприкасаемых поверхностей, их чистоты и относительной скорости.

Силы сухого трения возникают не только при скольжении одного тела по поверхности другого, но и при попытке вызвать такое скольжение.

Сила трения, которая существует между телами, которые соприкасаются, но не движутся под действием приложенной силы, носит название силы трения покоя.

  • В общем случае выделяют три вида внешнего трения: трение покоя, трение скольжения и трение качения.
  • Экспериментально установлено, что сила трения не зависит от площади поверхности, вдоль которой тела соприкасаются, и пропорциональна силе нормального давления, с которой одно тело действует на другое:
  •     Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения)
  • Постоянная называется коэффициентом трения и зависит от природы и состояния трущихся поверхностей.

В некоторых ситуациях трение является полезным. Например, при отсутствии трения невозможными были бы ходьба человека по земле, движение автотранспортных средств. Однако, в некоторых случаях трение вредно.

Оно приводит к износу трущихся деталей механизмов, дополнительному расходу горючего на транспорте.

В подобных случаях с трением борются путем применения различных смазок (так называемых жидкостных или воздушных подушек) или замены скольжения качением, поскольку трение качения характеризуется значительно меньшими силами по сравнению с трением скольжения.

Примеры решения задач

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Источник: http://ru.solverbook.com/spravochnik/mexanika/dinamika/sily-treniya/

Силы внешнего трения: покоя, скольжения и качения

  • Сила трения покоя
  • Трение покоя— трение, возникающее при отсутствии относительного перемещения соприкасающихся тел.
  • Рассмотрим взаимодействие бруска с поверхностью стола.
  • Поверхность соприкасающихся тел не является абсолютно ровной.

Наибольшая сила притяжения возникает между атомами веществ, находящимися на минимальном расстоянии друг от друга, т.е. на микроскопических выступах. Суммарная сила притяжения атомов соприкасающихся тел столь значительна, что даже под действием внешней силы F, приложенной к бруску параллельно поверхности его соприкосновения со столом, брусок остается в покое. Это означает, что на брусок действует сила, равная по модулю внешней силе, но противоположно направленная. Эта сила является силой трения покоя.

Сила трения покоя-сила трения, препятствующая возникновению движения одного тела по поверхности другого:

Когда приложенная сила достигает максимального критического значения (Fтр.п)max достаточного для разрыва связей между выступами, брусок начинает скользить по столу. Естественно предположить, что (Fтр.п)max пропорциональна числу n взаимдействующих выступов и давлению p бруска на стол:

(Fтр.п)max~np.

  1. Давление равно отношению силы нормального давления, действующей перпендикулярно поверхности соприкосновения тел, к площади поверхности S:
  2. p=F/S
  3. Число взаимодействующих выступов пропорционально площади поверхности соприкосновения тел: n~S, поэтому

(Fтр.п)max~S*F/S~F+.

Максимальная сила трения покоя не зависит от площади поверхности соприкосновения поверхностей.

По третьему закону Ньютона сила нормального давления равна по модулю силе нормальной реакции опоры N. Максимальная сила трения покоя (Fтр.п)max пропорциональна силе нормального давления:

(Fтр.п)max=mпN

где mп-коэффициент трения покоя.

Коэффициент трения покоя зависит от характера обработки поверхности и от сочетания материалов, из которых состоят соприкасающиеся тела.

Качественная обработка гладких поверхностей контакта приводит к увеличению числа притягивающихся атомов и соответственно к увеличению коэффициента трения покоя.

Силы притяжения отдельных атомов различных веществ существенно зависят от их электрических свойств.

Сила трения скольжения — силы, возникающие между соприкасающимися телами при их относительном движении. Если между телами отсутствует жидкая или газообразная прослойка (смазка), то такое трение называется сухим. В противном случае, трение называется «жидким». Характерной отличительной чертой сухого трения является наличие трения покоя.

Опытным путём установлено, что сила трения зависит от силы давления тел друг на друга (силы реакции опоры), от материалов трущихся поверхностей, от скорости относительного движения и не зависит от площади соприкосновения.

(Это можно объяснить тем, что никакое тело не является абсолютно ровным. Поэтому истинная площадь соприкосновения гораздо меньше наблюдаемой. Кроме того, увеличивая площадь, мы уменьшаем удельное давление тел друг на друга.

) Величина, характеризующая трущиеся поверхности, называется коэффициентом трения, и обозначается чаще всего латинской буквой «k» или греческой буквой «μ». Она зависит от природы и качества обработки трущихся поверхностей. Кроме того, коэффициент трения зависит от скорости.

Впрочем, чаще всего эта зависимость выражена слабо, и если большая точность измерений не требуется, то «k» можно считать постоянным.

величина силы трения скольжения может быть рассчитана по формуле:

Силы трения, все виды (покоя, скольжения, качения)

Сила трения качения — сила трения, возникающая при качении одного тела по поверхности другого тела

тре́ние каче́ния — сопротивление движению, возникающее при перекатывании тел друг по другу.

Проявляется, например, между элементами подшипников качения, между шиной колеса автомобиля и дорожным полотном.

В большинстве случаев величина трения качения гораздо меньше величины трения скольжения при прочих равных условиях, и потому качение является распространенным видом движения в технике.

Трение качения возникает на границе двух тел, и поэтому оно классифицируется как вид внешнего трения.

f — коэффициент трения качения, имеющий размерность длины (следует отметить важное отличие от коэффициента трения скольжения, который безразмерен);

R — радиус катящегося тела;

N — прижимающая сила.



Источник: https://infopedia.su/2x8bc8.html

Дополнительно о силах трения (покоя, скольжения, качения)

Так как избавиться от сил трения, препятствующих движению тела, невозможно, то их надо уменьшить.

Представим такую картину. Пусть к диску, лежащему на твёрдой поверхности, прикладывают всё большую силу, измеряя её динамометром. До некоторого значения силы диск остаётся в состоянии покоя. Это значит, что на него в обратном направлении действует сила трения покоя, уравновешивающая внешнюю силу. Обычно говорят о максимальной силе трения покоя, пропорциональной нормальной реакции опоры:

Здесь «мю» — коэффициент трения покоя. Его величина зависит от вещества соприкасающихся поверхностей, их обработки. Максимальную силу трения измеряют динамометром, когда только-только намечается скольжение диска.

Затем можно подобрать внешнюю силу такой, чтобы диск скользил по поверхности равномерно. Обычно эта сила бывает меньше силы, необходимой для того, чтобы сдвинуть диск с места.

Тогда для силы трения скольжения формула будет иметь такой же вид:

но здесь «мю» называется коэффициентом трения скольжения. Он зависит от скорости скольжения одного трущегося тела относительно другого. Но при малых скоростях разница между коэффициентом трения покоя и трения скольжения невелика, поэтому для нахождения силы трения пользуемся формулой:

Сила трения очень сильно уменьшится, если диск поставить на ребро и приложить к нему внешнюю силу. Возникающую здесь силу трения называют силой трения качения.

Как объяснить происхождение силы трения качения? Когда диск катится по поверхности другого тела, он немного вдавливается в эту поверхность и сам немного сжимается.

Происходит как бы вкатывание диска на горку. Также происходит отрыв участков одной поверхности от другой, которому препятствуют силы сцепления между соприкасающимися поверхностями. Это и является причиной существования сил трения качения. Трение качения будет тем меньше, чем меньше будет вдавливание, т. е. чем твёрже будут соприкасающиеся поверхности.

Подробно о силах трения и других силах в механике смотрите занятие 15.

К.В. Рулёва Подписывайтесь на канал. Здесь публикуются тексты занятий, содержание которых раскрывается через решение задач.

Занятие 15. Природа сил в механике. Силы тяжести, упругости, трения

Предыдущая запись: Задачи 10 и 11. Влияние сил Кориолиса

Следующая запись: Занятие 19. Работа. Мощность. Энергия

Первая запись: Занятие 1. Физика. Механика. Кинематика.

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5d94a74bc31e4900b2f962ce/5e00d829a3f6e400b21fe19e

Трение скольжения, качения, покоя, теория трения, коэффициент трения, коэффициент сцепления…. Обзор проекта TehTab.ru

Трение скольжения, качения, покоя, теория трения, коэффициент трения, коэффициент сцепления…. Обзор проекта TehTab.ru

  • Трение покоя — наблюдается при предварительных микросмещениях (при недостаточных сдвигающих усилиях) до перехода к движению на макроуровне, когда начинает действовать сила трения качения или скольжения. Интерес представляет наибольшая сила трения покоя — она же «сила трения покоя», она же «сила сцепления», она же Гоша, она же Гога ( шутка).
  • Трение скольжения — скорости тел в точке касания могут быть различны и по модулю и по направлению в любых комбинациях. Интерес представляет сила трения скольжения.
  • Трение качения — скорости тел в точке касания одинаковы и по модулю и по направлению. Интерес тут представляет сила трения качения.
  • Коэффициент трения он же коэффициент сцепления (для трения покоя)— отношение указанных сил трения к нормальной (перпендикулярной) относительно трушихся поверхностей прижимающей тела силе (нагрузке). Для параллельных земле поверхностей очень часто эта нагрузка — вес.

Лирическое (не практическое) отступление для любопытных. В общем случае:

  • Fтр=1/v*(dA)/(dt),
  • где v — скорость трущихся тел (относительного перемещения),
  • а (dA)/(dt) — мощность фрикционных потерь, а именно:
    • механических = связанных с деформированием и адгезионным взаимодействием
    • физических = связанных с адсорбцией, звуковых, электромагнитных и т.д.
    • химических = связанных с хемосорбцией и химическим модифицированием поверхностных слоев
  • А — работа сил трения, т.е. диссипируемая (рассеянная системой) энергия

Сила трения определяется характеристиками:

  • непосредственного контакта материалов в исходном состоянии
  • контакта через жидкостные маслянные слои в процессах гидростатической и гидродинамической смазки
  • контакта через адсорбированные и хемосорбированные слои как смазок, так и материала и даже пыли т.д.
  • контакта через вторичные (т.е. образующиеся уже в процессе трения) структуры

Вклад различных процессов различен при различных нагрузках и скоростях , т.е. в общем случае коэффициент трения движения является функцией всех описанных в лирическом отступлении параметров и скорости.

На практике же пользуемся формулой: Fтр=kтр*Fпр ( сила трения пропорциональна прижимающей (нормальной) силе и коэффициенту трения). Помним, что для начала движения следует преодолеть силу трения покоя, которая не ниже силы трения движения, а часто и выше в разы).

  • В обычных условиях, при разумных конструкторских решениях, в процессе приработки деталей снижается доля пластической деформации и увеличивается доля упругой деформации в точках микроконтактов, при этом повышается площадь контакта через защитные слои смазки и вторичные структуры, что в целом снижает силы трения ( до наступления разумных пределов износа).
  • Сравнительные ряды значений коэффициентов трения и количественные соотношения между ними для различных пар материалов остаются верными, как правило, для любых условий процесса, а абсолютные значения являются только ориентировочными.
  • Важные факты для о трении для инженеров:
  • при повышении качества обработки поверхности сперва трение скольжения уменьшается, потом ! — увеличивается, т.е. суперфиниш может быть проблемой.
  • скольжение в вакууме присходит в условиях, которые затрудняют образование защитных адсорбционных покрытий, и, поэтому, увеличенное адгезионное взаимодействие обеспечивет более сильное трение, причем после приработки значение трения еще и превышает начальное
  • изменение скорости всегда меняет коэффициент трения, поскольку сама скорость меняет деформационные свойства материалов, а разогрев меняет характер остальных процессов в поверхности (точках) контакта, поэтому не гнушайтесь эксперимента в случаях больших перепадов скоростей

Значение коэффициента трения скольжения определяется суммой адгезионной и деформационной составляющей, т.е. Ктр=Ка+Кд ,

Деформационная составляющая обусловлена потерями повторного передеформирования поверхностных слоев материалов, она важна для весьма шероховатых поверхностей и полимерных материалов. Для металлов соотношение между адгезионной и деформационной составляющей таково, что при точности в 1% значением деформационной составляющей можно пренебречь.

Чуть подробнее для любопытных. В общем случае прочность адгезионной связи определяется выражением:

  • τ=τ0+β*ρr,
  • где ρr — фактическое давление в зонах контакта (! полная нагрузка на суммарную площадь пятен фактического контака,
  • а τ0+β — характеристики поверхностных слоев
  • таким образом: Ка= τ0/ρr + β, т.е. при малых далениях он (коэффициент) определяется величиной τ0, а при больших — β

Сила трения качения также на практике определяется адгезионной и деформационной составляющей, причем деформационная (гистерезисная) составляющая важнее у материалов с низким уровнем упргугости и низкой твердостью. Эти же материалы имеют более высокий коэффициент трения качения, чем остальные (для резины выше, чем для оргстекла, а для оргстекла выше, чем для стали)

Источник: https://tehtab.ru/Guide/GuidePhysics/Frication/FrictionOweriew/

Виды сил трения

Выделяют три вида сил трения: трение скольжения, трение качения и трение покоя.

Сила трения скольжения возникает, когда одно тело перемещается по поверхности другого. Чем больше вес тела, и чем больше коэффициент трения между данными поверхностями (коэффициент зависит от материала, из которого сделаны поверхности), тем больше сила трения скольжения.

Сила трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей. При движении брусок, лежащий на своей большой по площади грани, будет иметь такую же силу трения скольжения, как если его положить на самую маленькую грань.

Основная причина возникновения силы трения скольжения — мельчайшие неровности поверхностей двух тел. Ими тела цепляются друг за друга при движении.

Если бы не было силы трения скольжения, то тело, приведенное в движение кратковременным действием на него силы, продолжало бы двигаться равномерно.

Однако, поскольку сила трения скольжения существует, и она направлена против движения тела, то тело постепенно останавливается.

Вторая причина возникновения силы трения скольжения — межмолекулярные взаимодействия на соприкасающихся поверхностях двух тел. Данное взаимодействие может возникнуть только на очень гладких, хорошо отполированных поверхностях. Молекулы разных тел оказываются очень близко друг к другу и притягиваются. Из-за этого движение тела тормозится.

Сила трения качения возникает, когда по поверхности одного тела, перекатывается другое, обычно круглой формы. Например, катятся колеса транспортных средств на дороге, перевернутая на бок бочка с пригорка, шарик по полу.

Сила трения качения намного меньше силы трения скольжения. Вспомните, большую сумку легче вести на колесиках, чем волоком тащить по земле.

Причина кроется в разном способе контакта между движущимся телом и поверхностью. При качении колесо как бы вдавливает, подминает под себя поверхность, отталкивается от нее.

Катящемуся колесу не приходится цеплять множество мелких неровностей поверхности, как при скольжении тел.

Чем тверже поверхность, тем меньше сила трения качения. Например, по песку ехать на велосипеде труднее, чем по асфальту, так как на песке приходится преодолевать большую силу трения качения.

Это связано с тем, что отталкиваться от твердых поверхностей легче, они не сильно вдавливаются.

Можно сказать, что сила, которая действует со стороны колеса на твердую поверхность, не расходуется на деформацию, а почти вся возвращается в виде силы нормальной реакции опоры.

Сила трения покоя окружает нас повсеместно. Все предметы, которые лежат на других телах, удерживаются силой трения покоя. Силы трения покоя даже хватает, чтобы удерживать предметы на наклоненных поверхностях.

Например, человек может стоять на склоне холма, брусок неподвижно лежать на слегка наклоненной линейке. Кроме того, благодаря силе трения покоя возможны такие формы движения, как ходьба и езда.

В этих случаях происходит «сцепление» с поверхностью за счет силы трения покоя, в результате появляется возможность отталкиваться от поверхности.

Причины силы трения покоя такие же, как у силы трения скольжения.

Сила трения покоя возникает, когда пытаются сдвинуть стоящее тело. Пока сила, пытающаяся двигать тело, меньше силы трения покоя, тело будет оставаться на месте. Как только эта сила превысит определенную максимальную силу трения покоя для данных двух тел, одно тело начнет двигаться относительно другого, и на него уже будет действовать сила трения скольжения или качения.

В большинстве случаев максимальная сила трения покоя немного превосходит силу трения скольжения. Так, чтобы начать двигать шкаф, надо сначала приложить чуть больше усилий, чем прикладывать их, когда шкаф уже двигается. Часто разницей между силами трения покоя и скольжения пренебрегают, считая их равными.

plustilino © 2019. All Rights Reserved

Источник: https://scienceland.info/physics7/friction

Ссылка на основную публикацию