Сила трения: виды и формула расчета

Сила трения — важная часть физики: без неё нельзя объяснить ни движение, ни его отсутствие. Физика 7 класс онлайнчасто начинает именно с этой темы, потому что трение видно и ощутимо в самых обычных вещах вокруг. Сила трения — это сила, которая мешает одному телу скользить по поверхности другого. Определите силу трения просто: она направлена против движения и зависит от того, насколько сильно тела прижаты друг к другу.

Что такое сила трения 

Чему равна сила трения, зависит от двух вещей: насколько шероховаты поверхности и с какой силой они прижаты друг к другу. Какая сила трения возникнет в конкретном случае, заранее подсказывает коэффициент трения — табличное число для пары материалов.

1 сила трения — это трение покоя, оно мешает сдвинуть тело с места. 2 силы трения — скольжения и качения — работают уже во время движения.

Виды силы трения

Трение покоя удерживает предметы на месте, пока внешняя сила не превысит его максимум. В состоянии покоя сила тренияравна приложенной силе — не больше и не меньше.

Сила покоя растёт вместе с попыткой сдвинуть тело, но только до определённого предела. Как только этот предел пройден, начинается скольжение.

Сила трения скольжения меньше максимального трения покоя — поэтому сдвинуть тяжёлый шкаф труднее, чем потом его двигать. Скольжения без трения почти не бывает, разве что на льду или в невесомости.

Скольжению всегда сопутствует некоторая потеря энергии — она уходит в тепло. Проскальзывание колеса на льду — известный каждому пример трения скольжения в быту.

Качение отличается от скольжения тем, что точка контакта не проскальзывает. Скользить колесу мешает именно трение — без него автомобиль вообще не тронется с места. Сила трения приложена именно к точке контакта, а не к телу целиком.

Горизонтальная сила трения

Горизонтальная сила трения — самый частый случай в школьных задачах: тело скользит по столу или полу. Сила трения горизонтальной поверхности зависит от веса тела и коэффициента трения.

Сила трения поверхности стола отличается от силы трения поверхности льда в разы. На наклонной плоскости расчёт немного сложнее — там нормальная сила уже не равна всему весу.

Что такое сила трения 

Чему равна сила трения, зависит от двух вещей: насколько шероховаты поверхности и с какой силой они прижаты друг к другу. Какая сила трения возникнет в конкретном случае, заранее подсказывает коэффициент трения — табличное число для пары материалов.

1 сила трения — это трение покоя, оно мешает сдвинуть тело с места. 2 силы трения — скольжения и качения — работают уже во время движения.

Виды силы трения 

Трение покоя удерживает предметы на месте, пока внешняя сила не превысит его максимум. В состоянии покоя сила тренияравна приложенной силе — не больше и не меньше.

Сила покоя растёт вместе с попыткой сдвинуть тело, но только до определённого предела. Как только этот предел пройден, начинается скольжение.

Сила трения скольжения меньше максимального трения покоя — поэтому сдвинуть тяжёлый шкаф труднее, чем потом его двигать. Скольжения без трения почти не бывает, разве что на льду или в невесомости.

Скольжению всегда сопутствует некоторая потеря энергии — она уходит в тепло. Проскальзывание колеса на льду — известный каждому пример трения скольжения в быту.

Качение отличается от скольжения тем, что точка контакта не проскальзывает. Скользить колесу мешает именно трение — без него автомобиль вообще не тронется с места. Сила трения приложена именно к точке контакта, а не к телу целиком.

Горизонтальная сила трения

Горизонтальная сила трения — самый частый случай в школьных задачах: тело скользит по столу или полу. Сила трения горизонтальной поверхности зависит от веса тела и коэффициента трения.

Сила трения поверхности стола отличается от силы трения поверхности льда в разы. На наклонной плоскости расчёт немного сложнее — там нормальная сила уже не равна всему весу.

Реакция опоры равна весу тела только на горизонтальной поверхности — на наклонной это уже не так. Сила реакции всегда перпендикулярна поверхности, а трение — вдоль неё.

Направление и вектор силы трения

Направления силы трения определяют по одному правилу: всегда против относительного движения. Вектор силы трения лежит в плоскости соприкосновения тел.

Направлению движения сила трения противоположна почти всегда — отсюда и торможение. Направлением векторазадаётся, в какую сторону тело замедляется.

Противоположно движению работает трение скольжения, а вот трение покоя может быть сонаправлено с приложеннойсилой в других задачах — например, когда помогает удержать груз на движущейся ленте.

Вектора силы трения без вектора скорости не существует: одно определяет направление другого. Вектору нормальной реакции трение всегда перпендикулярно.

Вектором это удобно представлять на чертеже: стрелка против движения, длина — пропорциональна модулю.

Модуль и приложенная сила

Модуля силы трения достаточно, чтобы решить большинство школьных задач без учёта направления отдельно. Модулюсилы соответствует её численное значение — просто число в ньютонах.

Величина силы трения растёт вместе с прижимающей силой, пока коэффициент остаётся тем же. Модулем силы трения проверяют, хватит ли сцепления для движения без пробуксовки.

Приложенной силы иногда не хватает, чтобы вообще сдвинуть тело — тогда трение покоя её полностью уравновешивает. Приложенную силу сравнивают с максимальным трением покоя перед тем, как тело тронется с места.

Приложить силу больше трения покоя — единственный способ начать движение. Точка приложения силы трения находится там же, где тела соприкасаются друг с другом.

Приложение силы трения происходит вдоль всей площади контакта, хотя в расчётах её обычно считают приложенной в одной точке.

Взаимодействие тел и сопротивление движению

Взаимодействия тел без контакта поверхностей трение не возникает вовсе. Контакт — обязательное условие для любого вида сухого трения.

Взаимодействию тел сопутствует ещё и третий закон Ньютона: трение действует на оба тела с равной силой, но в разные стороны. Соприкосновение поверхностей — единственный источник трения такого рода.

Взаимодействием объясняется и трение в жидкостях, хотя оно устроено иначе, чем сухое. Сопротивления движению без трения не бывает вовсе.

Сопротивлению воздуха и трению есть общая черта: оба тормозят движение и превращают энергию в тепло. Сопротивлением такого рода объясняется и то, почему вечный двигатель невозможен.

Противодействие движению растёт с увеличением скорости в жидкостях и газах, но не в сухом трении между твёрдыми телами. Торможение автомобиля работает именно за счёт силы трения между колодками и диском.

Движение, вес и нагрузка

Движения тела без сопротивления в реальном мире почти не бывает — трение присутствует почти везде. Ускорению тела мешает трение точно так же, как и любой другой силе, направленной вперёд.

Движением объекта управляют сразу несколько сил одновременно, и трение — лишь одна из них. Перемещение тела прекращается, когда трение полностью гасит его скорость.

Равномерное движение по горизонтали возможно только если приложенная сила в точности равна силе трения. Веса тела достаточно, чтобы оценить примерную силу трения, зная коэффициент.

Весу тела соответствует нормальная реакция опоры на ровной поверхности. Весом объекта определяется, насколько сильно он прижат к опоре, а значит, и сила трения.

Масса тела сама по себе трение не создаёт — важен именно вес, то есть сила давления на опору. Нагрузка на поверхность растёт, если на тело давят ещё и сверху — например, кто-то сел на санки.

Как рассчитать и измерить силу трения

Работа силы трения тела всегда отрицательна: трение отбирает энергию у движения, а не отдаёт её. Работа силы тренияпревращается в тепло — потрогайте место распила после долгой работы пилой. Замедление тела под действием трения происходит с постоянным ускорением, если сила трения не меняется.

Расчет силы трения начинают с определения нормальной реакции, а уже потом умножают её на коэффициент. Измерениясилы трения проводят динамометром: тянут тело равномерно и снимают показания. Ускорения при этом быть не должно — иначе показания динамометра исказятся.

Измерению поддаётся и коэффициент трения — через отношение силы трения к весу. Динамометр остаётся самым простым прибором для школьной лабораторной работы по этой теме.

Измерением занимаются не только в школе: инженеры используют те же принципы при проектировании тормозов и шин.