Сила трения: определение, формулы

Сила трения возникает из соприкосновения поверхностей двух физических тел, пребывающих в движении по отношению друг к другу. Теория трения издревле волновала умы человечества, древние инженеры: строители Египетских пирамид, Стоунхенджа в Англии или таинственных каменных истуканов на острове Пасхе, все они (как впрочем, и их современные коллеги) решали насущную проблему, связанную с трением и тем как его максимально уменьшить. Ведь именно сила трения делает трудным перемещение тяжелых грузов по земле (тех же камней для пирамид или Стоунхенджа), и чтобы облегчить эту задачу, нашими далекими предками было придумано такое полезное изобретение как колесо и сделано множество других важных открытий. В нашей статье мы посмотрим на силу трения в физическом аспекте, разберем, как действует она на те или иные тела, какие есть ее виды и формулы расчета.

Определение

Что такое сила трения? Классическое определение звучит так: сила трения – это сила, появляющаяся при соприкосновении двух тел во время движения и препятствующая этому самому движению. Иными словами, чем больше сила трения между телами, тем труднее их двигать относительно друг друга. Что же касается самой физической природы трения, то оно появляется как результат взаимодействия между атомами и молекулами тел, соприкасающихся между собой.

Также стоит заметить, что при трении двух тел на них действует третий закон Ньютона: сила трения, действующая на первое тело (тело А), равна силе трения, действующей на второе тело (тело Б), только по модулю эти силы имеют противоположное направление.

На этой картинке, сила трения, действующая на холодильник, равна силе трения, действующей на пол, но направлены эти силы в противоположные стороны.

Виды трения

В зависимости от характера движения тел различают такие виды сил трения как:

• Покоя. Сила трения покоя возникает при соприкосновении двух тел, которые, однако, не движутся относительно друг друга, и имеет нулевое значение.
• Скольжения. Сила трения скольжения – наиболее классическая иллюстрация действия трения, возникает при скольжении тел относительно друг друга. На ее величину влияет масса тела (чем она больше, тем больше сила трения), характер поверхности (разумеется, при скольжении по льду сила трения будет в разы меньше чем при скольжении по земле).
• Качения. Сила трения качения появляется, когда одно тело катится по поверхности другого, например, при езде на велосипеде или автомобиле. При качении сила трения гораздо меньше, чем при скольжении. Это опытным, эмпирическим путем установили еще те далекие наши предки, которые изобрели колесо – величайшее изобретение в истории науки и техники.
• Верчения. Сила трения верчения проявляется при вращении одного тела по поверхности другого.

Что же касается самого трения то и оно бывает нескольких видов:

• Сухое – проявляется при соприкосновении твердых поверхностей.
• Вязкое, также подобное трение называют жидкостным, появляется при соприкосновении твердого тела c жидкостью либо газом. Например, на корабль, плывущий по воде, как и на поверхность воды, действует вязкое (жидкостное) трение. Сила вязкого трения обычно гораздо меньше силы сухого трения.
• Смешанное, возникает, когда между поверхностями, которые соприкасаются, есть слой смазки.

Интересный факт: при осаде Константинополя в 1453 году турки, чтобы обойти специальную цепь, преграждающую путь турецким кораблям в залив Золотой Рог перетянули их по суше. А для того, чтобы уменьшить силу трения при перемещении больших тяжелых военных кораблей сделали настил из деревянных рельсов, который обильно смазали салом. Таким образом, благодаря смазке и смешанному трению, сила которого гораздо меньше, чем при трении сухом, турки удачно воплотили свой замысел, приведя защитников Константинополя в подлинное смятение.

Султан Мехмед II наблюдает за перевозкой своих судов.

Как видите, знание законов физики и механики не раз и не два находило свое практическое воплощение в реальной жизни.

Но вернемся от истории снова к физике, трение также разделяют на внешнее и внутреннее. Внешнее трение характерно для взаимодействия исключительно твердых тел. Внутреннее трение характеризуется вязкостью и возникает при взаимодействии жидкостей или газов, а такое взаимодействие может происходить внутри условно одного тела. Например, в водах мирового океана есть разные течения, с более холодной или более теплой водой, при взаимодействии этих течений между ними и возникает внутреннее трение.

Как найти

Чтобы рассчитать силу трения необходимо знать коэффициент трения k, который зависит от характера поверхности. Коэффициент трения – постоянная величина и его значение можно узнать из специальной таблицы.

Помимо коэффициента трения необходимо знать силу реакцию опоры N, которая, по сути, равна силе тяжести (гравитации) зависящей от массы тела (m) и ускорения свободного падения. Ее формула будет иметь следующий вид:

N = m * g

Где m – масса тела, а g – ускорение свободного падения, это постоянная величина равная 9,8 м/с².

Формула

Сила трения высчитывается путем произведения реакции опоры N и коэффициента трения k. Формула силы трения будет иметь следующий вид:

F_тр = k * N.

В некоторых формулах коэффициент трения k обозначается символом µ.

Написанные выше расчеты справедливы в самом простом случае, когда тело лежит на строго горизонтальной поверхности.

Если же движение происходит по наклонной плоскости, то расчеты силы трения несколько усложняются. На тело, как и раньше, действует сила гравитации и реакция опоры поверхности, но не в одном направлении.

Таким образом, формула силы трения для тела, которое движется по наклонной поверхности, будет иметь следующий вид:

F_тр = k * m * g * cosα.

Где k – коэффициент трения, m – масса тела, g гравитационная постоянная (помним, что она равна 9,8 м/с²), cosα – отношение катета, прилежащего к углу, к гипотенузе треугольника (косинус).

При определении силы трения на наклонных поверхностях ярко проявляется связь между физикой и геометрией.

Рекомендованная литература и полезные ссылки

• Сила трения. ЗФТШ, МФТИ. Дата обращения 14 февраля 2019.
• Енохович А. С. Справочник по физике. — Просвещение, 1978. — С. 85. — 416 с.
• Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 1. Трение в машинах. Теория, расчет и конструкция подшипников и подпятников скольжения. Машгиз. М.-Л. — 1947. 256 с.
• Bowden F. P., Tabor D. The Friction and Lubrication of Solids. Oxford University Press, 2001.
  Persson Bo N. J.: Sliding Friction. Physical Principles and Applications. Springer, 2002.
• Popov V. L. Kontaktmechanik und Reibung. Ein Lehr- und Anwendungsbuch von der Nanotribologie bis zur numerischen Simulation, Springer, 2009.
• Rabinowicz E. Friction and Wear of Materials. Wiley-Interscience, 1995.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

Страница про автора