Сила тертя: визначення, формули

3 March 2020 Pavlo Chaika

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Зміст:

Сила тертя виникає з зіткнення поверхонь двох фізичних тіл, що перебувають в русі по відношенню один до одного. Теорія тертя здавна хвилювала уми людства, стародавні інженери: будівельники єгипетських пірамід, Стоунхенджу в Англії або таємничих кам’яних істуканів на острові Пасхи, всі вони (як втім, і їх сучасні колеги) вирішували нагальну проблему, пов’язану з тертям і тим як його максимально зменшити. Адже саме сила тертя робить важким переміщення масивних вантажів по землі (тих же каменів для пірамід або Стоунхенджу), і щоб полегшити це завдання, нашими далекими предками був придуманий такий корисний винахід як колесо і зроблено безліч інших важливих відкриттів. У нашій статті ми подивимося на силу тертя у фізичному аспекті, розберемо, як діє вона на ті чи інші тіла, які є її види і формули розрахунку.

Визначення

Що таке сила тертя? Класичне визначення звучить так: сила тертя – це сила, що з’являється при дотиканні двох тіл під час руху і перешкоджає цьому самому руху. Іншими словами, чим більше сила тертя між тілами, тим важче їх рухати відносно один одного. Що ж стосується самої фізичної природи тертя, то воно з’являється як результат взаємодії між атомами і молекулами тіл, дотичних між собою.

Також варто зауважити, що при терті двох тіл на них діє третій закон Ньютона: сила тертя, що діє на перше тіло (тіло А), дорівнює силі тертя, що діє на друге тіло (тіло Б), тільки по модулю ці сили мають протилежний напрямок.

На цій картинці, сила тертя, що діє на холодильник, дорівнює силі тертя, що діє на підлогу, але спрямовані ці сили в протилежні сторони.

Види

Залежно від характеру руху тіл розрізняють такі види сил тертя як:

Спокою. Сила тертя спокою виникає при дотику двох тіл, які, однак, не рухаються відносно один одного, і має нульове значення.
Ковзання. Сила тертя ковзання – найбільш класична ілюстрація дії тертя, виникає при ковзанні тіл відносно один одного. На її величину впливає маса тіла (чим вона більше, тим більше сила тертя), характер поверхні (зрозуміло, при ковзанні по льоду сила тертя буде в рази менше ніж при ковзанні по землі).
Кочення. Сила тертя кочення з’являється, коли одне тіло котиться по поверхні іншого, наприклад, при їзді на велосипеді або автомобілі. При коченні сила тертя набагато менше, ніж при ковзанні. Це досвідченим, емпіричним шляхом встановили ще ті далекі наші предки, які винайшли колесо – найбільший винахід в історії науки і техніки.
Вертіння. Сила тертя вертіння проявляється при обертанні одного тіла по поверхні іншого.

Що ж стосується самого тертя то і воно буває декількох видів:

Сухе – проявляється при дотику твердих поверхонь.
В’язке, також подібне тертя називають рідинним, з’являється при дотику твердого тіла з рідиною або газом. Наприклад, на корабель, що пливе по воді, як і на поверхню води, діє в’язке (рідинне) тертя. Сила в’язкого тертя зазвичай набагато менше сили сухого тертя.
Змішане, виникає, коли між поверхнями, які стикаються, є шар мастила.

Цікавий факт: при облозі Константинополя в 1453 році турки, щоб обійти спеціальний ланцюг, що перегороджував шлях турецьким кораблям в затоку Золотий Ріг перетягнули їх по суші. А для того, щоб зменшити силу тертя при переміщенні великих важких військових кораблів зробили настил з дерев’яних рейок, який рясно змастили салом. Таким чином, завдяки мастилу і змішаному тертю, сила якого набагато менше, ніж при терті сухому, турки вдало втілили свій задум, привівши захисників Константинополя в справжнє сум’яття.

Султан Мехмед II спостерігає за перевезенням своїх човнів.

Як бачите, знання законів фізики і механіки не раз і не два знаходило своє практичне втілення в реальному житті.

Але повернімося від історії знову до фізики, тертя також поділяють на зовнішнє і внутрішнє. Зовнішнє тертя характерно для взаємодії виключно твердих тіл. Внутрішнє тертя характеризується в’язкістю і виникає при взаємодії рідин або газів, а така взаємодія може відбуватися всередині умовно одного тіла. Наприклад, у водах Світового океану є різні течії, з більш холодною або більш теплою водою, при взаємодії цих течій між ними і виникає внутрішнє тертя.

Як знайти?

Щоб розрахувати силу тертя необхідно знати коефіцієнт тертя k, який залежить від характеру поверхні. Коефіцієнт тертя – постійна величина і його значення можна дізнатися зі спеціальної таблиці.

Крім коефіцієнта тертя необхідно знати силу опору N, яка, по суті, дорівнює силі тяжіння (гравітації) залежить від маси тіла (m) і прискорення вільного падіння. Її формула матиме наступний вигляд:

N = m * g

Де m – маса тіла, а g – прискорення вільного падіння, це постійна величина рівна 9,8 м/с².

Формула

Сила тертя вираховується шляхом добутку реакції опори N і коефіцієнта тертя k. Формула сили тертя матиме наступний вигляд:

F_тр = k * N.

У деяких формулах коефіцієнт тертя k позначається символом µ.

Написані вище розрахунки справедливі в найпростішому випадку, коли тіло лежить на строго горизонтальній поверхні.

Якщо ж рух відбувається по похилій площині, то розрахунки сили тертя дещо ускладнюються. На тіло, як і раніше, діє сила гравітації і реакція опори поверхні, але не в одному напрямку.

Таким чином, формула сили тертя для тіла, яке рухається по похилій поверхні, матиме наступний вигляд:

F_тр = k * m * g * cosα.

Де k – коефіцієнт тертя, m – маса тіла, g гравітаційна постійна (пам’ятаємо, що вона дорівнює 9,8 м/с²), cosα – відношення катета, прилеглого до кута, до гіпотенузи трикутника (косинус).

При визначенні сили тертя на похилих поверхнях яскраво проявляється зв’язок між фізикою і геометрією.

Сила тертя: визначення, формули

Визначення

Види

Як знайти?

Формула

Рекомендована література та корисні посилання

Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка

Схожі записи: