Сила тертя

Сили тертя

При безпосередньому зіткненні тіл крім сил пружності можуть виникати сили і іншого типу, так звані сили тертя. Найбільш характерна риса сил тертя це те, що вони перешкоджають руху кожного з дотичних тіл відносно іншого або перешкоджають самому виникнення цього руху.

Особливості сил тертя покажемо на наступних дослідах. Візьмемо дерев’яний брусок з закріпленими до нього збоку гачками (рис. 90) і покладемо його на горизонтальний стіл. Брусок буде тиснути на стіл з силою Р, що дорівнює вазі бруска. Зачепивши за гачок кільце динамометра, розташуємо динамометр горизонтально й потягнемо його, як показано на рисунку. Поки сила, що діє з боку динамометра, досить мала, брусок залишається в спокої. Отже, крім сили F, що діє з боку динамометра, на брусок діє ще якась сила f, що урівноважує першу. Це і є сила тертя; вона діє зі сторони столу на брусок і прикладена до поверхні їхнього зіткнення.

сили тертя

Рис. 90. Сили тертя при різних напрямках сили F прикладеної з боку динамометра

Так як ця сила виникає, коли брусок ще не ковзає по столі, то вона називається силою тертя спокою. Ми можемо трохи збільшити силу F — тіло все ж залишиться в спокої. Це означає, що разом із силою F збільшується і сила тертя спокою f, весь час залишаючись рівною прикладеній силі. Сила тертя спокою f ніколи не може бути більше прикладеної сили: дійсно, під дією сили f рух бруска в напрямку, протилежному силі F, ніколи не виникає. Але якщо ми збільшимо силу F, то в кінці кінців брусок отримає прискорення і почне ковзати по столі в напрямку цієї сили. Отже, сила тертя спокою виявилася менше прикладеної сили — сила тертя спокою може збільшуватися лише до деякої певної межі. Ця межа — найбільшу величину сили тертя спокою ми визначимо за показниками динамометра безпосередньо перед моментом, коли тільки-тільки почнеться ковзання.

Зачепивши динамометр за інший гачок, ми можемо змінити напрям сили F (рис. 90); але і тоді, поки її величина не перевищує зазначеної вище межі, брусок не прийде в рух. Отже, одночасно зі зміною напрямку сили F змінюється і напрям сили тертя спокою f. Таким чином, величина і напрям сили тертя спокою визначаються величиною і напрямком тієї зовнішньої сили, яку вона врівноважує: сила тертя спокою дорівнює за величиною і протилежна за напрямом тій зовнішній силі, яка прагне викликати ковзання тіла по іншому. Інакше кажучи, сила тертя спокою діє на тіло назустріч тому напрямку, в якому виникло б ковзання, якби сила тертя спокою була відсутня.

Зазвичай, коли говорять про силу тертя спокою, мають на увазі найбільшу величину цієї сили. Подивимося, як залежить ця найбільша величина від сили, з якою тіла, що стикаються тиснуть один на одного. Будемо навантажувати брусок гирями різної ваги і повторювати визначення найбільшої сили тертя спокою. Ми побачимо, що при зміні сили Р, з якої брусок тисне на стіл (тепер це буде сума ваг бруска і гир), сила тертя спокою змінюється приблизно пропорційно силі Р. так що наближено: F=kP, де k – стала величина яка дорівнює k=F/p.

k величина рівна відношенню сили тертя між даними поверхнями до сили, з якою тіла тиснуть одне на одне, її називають коефіцієнтом тертя. Для різних матеріалів коефіцієнти тертя різні. З визначення видно, що коефіцієнт тертя не залежить від вибору системи одиниць.

На практиці коефіцієнт тертя для даних матеріалів визначають за формулою k=F/p, вимірюючи окремо силу тертя і силу тиску тіл одне на одне. Так як коефіцієнти тертя спокою залежать від речовини обох тіл, то їх доводиться визначати для кожної із різних пар матеріалів (тертя заліза по дереву, заліза по залізу і т. п.) Коефіцієнт тертя не є строго постійною величиною для даної пари металів і залежить від властивостей поверхонь. Гладка обробка поверхонь сильно зменшує коефіцієнт тертя.

Тепер збільшимо силу F якраз настільки, щоб тіло почало ковзати, і після того, як воно почало рухатися, підберемо величину зовнішньої сили так, щоб тіло ковзало по поверхні столу рівномірно. Це буде означати, що виникає при ковзанні сила тертя (сила тертя ковзання) яка дорівнює прикладеній силі. Вимірюючи прикладену силу, що підтримує рівномірне ковзання тіла по поверхні, ми побачимо, що вона зазвичай буває менше сили, необхідної для того, щоб зрушити тіло з місця: сила тертя ковзання може бути менше, ніж сила тертя спокою.

Часто вводять коефіцієнт тертя ковзання згідно з тією ж формулою k=F/p, але в яку замість сили тертя спокою підставляють силу тертя ковзання.

Легко переконатися на досліді, що сила тертя ковзання також залежить від роду поверхонь, що труться і, так само як і сила тертя спокою, збільшується при збільшенні сили тиску між тертьовими тілами. При збільшенні швидкості, але незмінній силі тиску сила тертя ковзання зазвичай не залишається постійною. Це означає, що коефіцієнт тертя ковзання залежить і від швидкості ковзання одного тіла відносно іншого. Для багатьох задач, можна користуватися деяким середнім значенням коефіцієнта тертя ковзання. При дуже малих швидкостях його можна вважати рівним коефіцієнту тертя спокою.

Навіть при великій силі, що притискає поверхні тіл одне до одного, вони завжди стикаються не по всій поверхні, а тільки на окремих ділянках. Це пояснюється мікроскопічними нерівностями поверхні всякого тіла, які залишаються навіть при ретельній обробці поверхні. Тому сили тертя діють тільки між цими окремими ділянками. Між дотичними ділянками виникають сили зчеплення, що при ковзанні тіл спрямовані в бік, зворотний ковзанню.

Для зменшення сил тертя ковзання застосовується змазка. Змазка полягає в тому, що між двома дотичними твердими поверхнями вводиться шар рідкого масла, яке змінює умови дотику і зменшує тертя.

Сила тертя спокою

Покладемо брусок на похилу дошку. При не дуже великому куті нахилу дошки брусок може залишитися на місці. Що буде утримувати його від зісковзування вниз? Це Тертя спокою.

Притисніть свою руку до лежачої на столі книги і пересуньте її. Книга буде рухатися відносно стола, але спочивати по відношенню до вашої долоні. За допомогою чого ви змусили цю зошит рухатися? За допомогою тертя спокою книги об руку.

Тертя спокою переміщує вантажі, що знаходяться на рухомій стрічці транспортера (рис. 40), перешкоджає розв’язуванню шнурків, утримує цвяхи, вбиті в дошку, і т. д.

транспортер

Рис. 40. Транспортер, як приклад застосування тертя спокою

Сила тертя спокою може бути різною. Вона росте разом з силою, що прагне зрушити тіло з місця. Але для будь-яких двох дотичних тіл вона має деяке максимальне значення, більше якого бути не може. Наприклад, для дерев’яного бруска, який перебуває на дерев’яній дошці, максимальна сила тертя спокою становить приблизно 0,6 від його ваги.
Приклавши до тіла силу, що перевищує максимальну силу тертя спокою, ми зрушимо тіло з місця, і воно почне рухатися. Тертя спокою при цьому зміниться тертям ковзання.

Сила тертя ковзання

Чому поступово зупиняються санки, які рухаються з гори? Через тертя ковзання. Чому сповільнює свій рух шайба, що ковзає по льоду? Внаслідок тертя ковзання.

Сила тертя ковзання завжди спрямована в бік, протилежний напрямку руху тіла.

Які ж причини виникнення сили тертя?

  1. Шорсткість поверхонь стичних тіл. Навіть ті поверхні, які виглядають гладкими, насправді завжди мають мікроскопічні нерівності (виступи, западини). При ковзанні одного тіла по поверхні іншого, ці нерівності зачіпаються одна за одну і тим самим заважають руху.
  2. Міжмолекулярне тяжіння, що діє в місцях контакту тертьових тел. Зараз важливо засвоїти одне — між молекулами речовини на дуже малих відстанях виникає тяжіння.

Молекулярне притягання проявляється в тих випадках, коли поверхні дотичних тіл добре відполіровані. Так, наприклад, при відносному ковзанні двох металів з дуже чистими і рівними поверхнями, обробленими у вакуумі за допомогою спеціальної технології, сила тертя виявляється набагато більше, чим при переміщенні нерівного бруска дерева по землі. В деяких випадках ці метали навіть «схоплюються» один з одним, і подальше ковзання неможливе.

Сила тертя кочення

Якщо тіло не ковзає по поверхні іншого тіла, а, подібно колесу або циліндру, котиться, то у місці їх контакту виникає тертя яке називають тертям кочення. Котиться колесо яке трохи вдавлюється в полотно дороги, і тому перед ним весь час виявляється невеликий горбок, який потрібно долати. Саме тим, що колесу, яке котиться, постійно доводиться підійматися на горбок який з’являється попереду, і обумовлено тертя кочення. При цьому, чим дорога твердіше, тим тертя кочення менше.

При однакових навантаженнях сила тертя кочення значно менше сили тертя ковзання. Це було помічено ще в давнину. Тому для переміщення важких вантажів наші предки підкладали під них катки або колоди. З цієї ж причини люди стали використовувати в транспорті колеса.