Сила тертя являє собою деяку фізичну величину, яка перешкоджає будь-якого руху тіла. Вона виникає, як правило, при русі тіл у твердому, рідкому і газоподібному речовині. Різні види сил тертя відіграють важливу роль у житті людини, оскільки вони перешкоджають надмірному збільшенню швидкості руху тел.
Класифікація сил тертя
В загальному випадку всі види сил тертя описуються трьома типами: сила тертя ковзання, кочення і спокою. Перша є статичною, дві інші – динамічні. Тертя в спокої перешкоджає початку руху тіла, в свою чергу тертя при ковзанні існує, коли тіло при своєму русі треться об поверхню іншого тіла. Тертя при коченні виникає при переміщенні круглого об’єкта. Наведемо приклад. Яскравим прикладом виду (сили тертя кочення) є рух коліс автомобіля по асфальту.
Природа виникнення сил тертя полягає в існуванні мікроскопічних недосконалостей між тертьовими поверхнями двох тел. З цієї причини результуюча сила, що діє на рухомий або початківець рух об’єкт, складається з суми сили нормальної реакції опори N, яка спрямована перпендикулярно до поверхні контактуючих тіл, і сили тертя F. Остання спрямована паралельно поверхні дотику і протилежна руху тіла.
Тертя між двома твердими тілами
При розгляді питання різних видів сил тертя спостерігалися такі закономірності для двох твердих тіл:
- Спрямована сила тертя паралельно поверхні опори.
- Коефіцієнт тертя залежить від природи контактуючих поверхонь, а також від їх стану.
- Максимальна сила тертя знаходиться в прямій пропорційності до нормальної сили або до реакції опори, яка діє між поверхнями контакту.
- Для одних і тих самих тіл сила тертя більше перед тим, як тіло починає рух, і потім зменшується, коли тіло починає рухатися.
- Від площі контакту коефіцієнт тертя не залежить, він практично не залежить від швидкості ковзання.
Закони
Узагальнюючи експериментальний матеріал про закономірності руху, встановили наступні основні закони, що стосуються тертя:
- Опір руху ковзання між двома тілами пропорційно нормальної сили, що діє між ними.
- Опір руху між тертьовими тілами не залежить від площі контакту між ними.
Для демонстрації другого закону можна привести такий приклад: якщо взяти блок і переміщати його методом ковзання по поверхні, то необхідна сила для такого переміщення буде однакова, коли блок лежить на поверхні своєю довгою стороною, і коли він стоїть торцем.
Закони, що стосуються різних видів сил тертя у фізиці, були відкриті в кінці XV століття Леонардом да Вінчі. Потім про них забули на тривалий час, і лише в 1699 році їх заново відкрив французький інженер Амонтон. З тих пір закони тертя носять його ім’я.
Чому в спокої сила тертя більше такої при ковзанні?
При розгляді декількох видів сил тертя (спокою і ковзання) слід зазначити, що статична сила тертя завжди менше або дорівнює добутку коефіцієнта тертя спокою на силу реакції опори. Коефіцієнт тертя визначається експериментальним шляхом для цих тертьових матеріалів і заноситься у відповідні таблиці.
Динамічна сила обчислюється так само, як і статична. Тільки в цьому разі використовують коефіцієнт тертя саме для ковзання. Коефіцієнт тертя зазвичай позначається грецькою буквою μ (мю). Таким чином, загальна формула для обох сил тертя має вигляд: Fтр = μ * N, де N – сила реакції опори.
Точно не встановлена природа відмінності між цими видами сил тертя. Однак більшість вчених вважають, що сила тертя спокою більше такої для ковзання, тому що коли тіла знаходяться деякий час у спокої відносно один одного, між їх поверхнями можуть утворитися іонні зв’язку або микросплавления окремих точок поверхонь. Ці фактори викликають збільшення статичного показника.
Прикладом кількох видів сили тертя і їх прояви є поршень в циліндрі двигуна автомобіля, який “припаюється” до циліндра, якщо двигун довго не працює.
Ковзне по горизонталі тіло
Отримаємо рівняння руху для тіла, яке під дією зовнішньої сили Fв починає переміщатися по поверхні шляхом ковзання. У даному випадку впливають наступні сили на тіло:
- Fв – зовнішня сила;
- Fтр – сила тертя, яка протилежна по напряму силі Fв;
- N – сила реакції опори, яка дорівнює по модулю вагою тіла P спрямована до поверхні, тобто під прямим кутом до неї.
Враховуючи спрямування всіх сил, запишемо другий закон Ньютона для цього випадку руху: Fв – Fтр = m * a, де m – маса тіла, a – прискорення руху. Знаючи, що Fтр = μ * N, N = P = m * g, де g – прискорення вільного падіння, отримаємо: Fв – μ * m * g = m * a. Звідки, висловлюючи прискорення, з яким рухається ковзне тіло, отримуємо: a = Fв / m – μ * g.
Рух твердого тіла в рідині
При розгляді питання про те, які види сили тертя існують, слід згадати важливе явище в фізиці, яке полягає в описі того, як в рідини рухається тверде тіло. В даному випадку мова йде про аеродинамічному терті, яке визначається в залежності від швидкості руху тіла в рідині. Існує два види руху:
- Коли тверде тіло рухається з невеликою швидкістю, говорять про ламінарному руху. Сила тертя при ламінарному русі виявляється пропорційною швидкості. Прикладом є закон Стокса для сферичних тел.
- Коли рух тіла в рідині відбувається з більшою швидкістю, ніж деяке граничне значення, то навколо тіла починають з’являтися завихрення з потоків рідини. Ці завихрення створюють додаткову силу, що перешкоджає руху, і в підсумку сила тертя виявляється пропорційною квадрату швидкості.
Природа сили тертя кочення
Коли говорять про види сил тертя, прийнято силу тертя кочення називати третім видом. Вона виявляє себе, коли тіло котиться по деякій поверхні та відбувається деформація тіла і самої поверхні. Тобто у випадку абсолютно недеформівних тіла і поверхні, немає ніякого сенсу говорити про силу тертя кочення. Розглянемо детальніше.
Поняття коефіцієнта тертя кочення аналогічно такому для ковзання. Оскільки при коченні не існує прослизання між поверхнями тіл, то коефіцієнт тертя кочення виявляється набагато менше, ніж для ковзання.
Головним фактором, який впливає на коефіцієнт, є гістерезис механічної енергії для виду сили тертя кочення. Зокрема, колесо в залежності від матеріалу, з якого воно виготовлене, а також від навантаження, яку воно несе, в процесі руху пружно деформується. Повторювані цикли пружної деформації призводять до переходу частини механічної енергії в теплову. Крім того, із-за пошкоджень контакт колеса і поверхні вже володіє деякою кінцевою площею дотику.
формула сили тертя кочення
Якщо застосувати вираз для моменту сили, яка обертає колесо, тоді можна отримати, що сила тертя кочення дорівнює Fтр.до. = μк * N / R, де N – реакція опори, R – радіус колеса, μк – коефіцієнт тертя кочення. Таким чином, сила тертя кочення виявляється обернено пропорційній радіусу, що пояснює перевага великих коліс в порівнянні з маленькими.
Зворотна пропорційність цієї сили радіусу колеса говорить про те, що у випадку двох коліс різних радіусів, які мають однакову масу і зроблені з одного і того ж матеріалу, колесо з великим радіусом легше зрушити з місця.
Коефіцієнт кочення
У відповідності з формулою для цього виду сили тертя отримуємо, що коефіцієнт тертя кочення μк має розмірність довжини. Головним чином він залежить від природи контактуючих тел. Величина, яка визначається відношенням коефіцієнта тертя кочення до радіусу, називається коефіцієнтом кочення, тобто Ск = μк / R – безрозмірна величина.
Коефіцієнт кочення Ск значно менше коефіцієнта тертя ковзання μтр. Тому при відповіді на питання про те, при якому вигляді тертя сила найменша, можна сміливо називати силу тертя кочення. Завдяки цьому факту винахід колеса вважається важливим кроком технічного прогресу людства.
Коефіцієнт кочення є характеристикою конкретної системи і залежить від наступних факторів:
- твердість колеса і поверхні (чим менше виникає при русі деформація тіл, тим менше коефіцієнт кочення);
- радіус колеса;
- вага, який діє на колесо;
- площа поверхні контакту і її форма;
- в’язкість в області контакту колеса і поверхні;
- температура тел.
