Меню

Формула по физике как найти силу трения формула



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 силы трения

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 силы 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 силу трения?

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:

Где m – масса тела, а g – ускорение свободного падения, это постоянная величина равная 9,8 м/с 2 .

Формула силы трения

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

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:

Где k – коэффициент трения, m – масса тела, g гравитационная постоянная (помним, что она равна 9,8 м/с 2 ), 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.

Сила трения, видео

И в завершении образовательное видео по теме нашей статьи.

Источник статьи: http://www.poznavayka.org/fizika/sila-treniya/

Сила трения — виды, формула и примеры расчета

Сила трения появляется, когда две поверхности соприкасаются и движутся относительно друг друга. Процесс изучает физика, в частности механика. Она рассматривает основные законы, которым поддаются тела при их движении и взаимодействии, выясняет причины, влияющие на изменение положения предметов.

Определение и природа силы трения

Сила трения Fтр возникает при касании двух тел. Она создает препятствия для их дальнейшего движения.

Это происходит при взаимодействии атомов и молекул, из которых состоят предметы. Поэтому природа ее появления – электромагнитные волны. Она действует в двух направлениях, направлена на оба тела.

При этом ее значение по модулю не изменяется. Если на одно из двух соприкасающихся тел действует сила, то она оказывает влияние и на другое.

На предмет, остающийся без движения, влияет сила трения покоя. Пока ее значение не превысит внешнее вмешательство, пытающееся сместить предмет, он не изменит положение.

Когда же ее величина возрастет до определенного предела, произойдет перемещение в новое место. Тогда появляется сила трения скольжения, ее направление противоположно смещению предмета.

Благодаря действию трения невозможно перемещаться вечно. Движение закончится через определенное время. Если же внешняя сила вновь превысит значение трения покоя, то перемещение возобновится.

Виды силы трения

Основные виды силы трения:

Покоя. Она сопротивляется внешним факторам, пытающимся сдвинуть тело. При их отсутствии ее значение приравнивают к нулю.

Скольжения. Она находится в прямой зависимости от коэффициента трения и значения силы, с которой поверхность оказывает давление на тело. Ее направление действия всегда перпендикулярно поверхности. Она обычно ниже, чем максимальная сила трения покоя.

Качения. Она возникает, когда одно тело катится по поверхности другого. Например, при соприкосновении колеса едущего велосипеда с дорогой или при работе подшипникового механизма. Она оказывает гораздо меньшее действие, чем трение скольжения, если остальные условия считать неизменными. Ее открытие стало незаменимым для техники. Колеса и круглые детали, вращающиеся и меняющие положение, являются основой многих механизмов и работы транспортных средств.

Верчения. Она появляется, когда один предмет начинает вращаться по поверхности другого.

Само трение может быть нескольких видов:

Сухим. Проявляется при соприкосновении твердых поверхностей. На них не наблюдаются другие материалы и слои. Такое в природе и жизни встречается крайне редко.

Вязким. Его еще называют жидкостным. Возникает при взаимодействии твердого тела с жидкостью или газом. Они могут течь мимо неподвижного предмета. Или он перемещается в жидкой или газообразной субстанции. Например, лодку тянут на канате по реке. Тело заставляет перемещаться верхний слой жидкости или газа. Словно тянет его за собой. Он в свою очередь действует на другой слой, расположенный ниже. Чем дальше от тела, тем ниже скорость движения слоев. Это происходит из-за уменьшения влияния твердого предмета. Между слоями возникает сила трения, так как тела движутся относительно друг друга. Она приводит к их торможению, а значит и действует на твердое тело, останавливая его. Температура определяет степень вязкости веществ. Например, она снижается при нагревании масла. Это наглядно видно на работе автомобильного мотора. Когда машина долго находилась на холоде, двигатель нужно сначала разогреть, чтобы увеличить скорость его вращения. У газов обратная зависимость. Вязкость растет с увеличением температуры.

Смешанным. Оно наблюдается, когда между телами, соприкасающимися поверхностями, есть слой смазки.

Также трение разделяют на внутреннее и внешнее. Последнее возникает при взаимодействии твердых тел. Значит к нему можно отнести сухое трение.

Внутреннее же характеризуется вязкостью. Именно при взаимодействии жидкостей или газа смещение происходит внутри одного тела, когда слои движутся относительно друг друга.

Как найти силу трения

Чтобы найти силу трения, нужно знать коэффициент трения k, зависящий от свойств поверхности. Это постоянная величина, значение которой берется из таблиц.

Также понадобится сила реакции опоры N. Нужная величина определяется произведением двух значений:

Буквой k обозначается коэффициент. Также можно встретить символ µ. Обычно он находится в пределах от 0,1 до 1.

Например, для резины, перемещающейся по сухому асфальту, при движении он колеблется от 0,5 до 0,8. При скольжении металла по дереву – 0,4, железа по чугуну – 0,18.

Сила реакции опоры не отличается от величины силы тяжести, зависящей от веса тела. Поэтому ее значение равно произведению массы тела (m) на ускорение свободного падения (g).

Это постоянная величина, составляющая 9,8 м/с². Это правило действует, когда приходится иметь дело с горизонтальной поверхностью. Сила тяжести и реакция опоры уравновешивают друг друга. Поэтому их считают равными величинами.

Если же происходит движение по наклонной плоскости, ход рассуждений несколько меняется. На предмет по-прежнему действуют силы тяжести и реакция опоры, но не в одном направлении.

При знании угла наклона плоскости к горизонту, формула трансформируется и приобретает следующий вид:

Здесь необходимо руководствоваться тем, что косинус это отношение катета, прилежащего к углу, к гипотенузе треугольника. Это один из тех случаев, доказывающих тесную взаимосвязь физики и тригонометрии.

Пример решения задачи

Задача, на применение полученных знаний, связанных с силой трения, поможет закрепить материал.

Условие задачи. На полу стоит коробка весом 7 кг. Коэффициент трения между ней и полом составляет 0,3. К коробке прикладывают силу, равную 14 Н. Сдвинется ли она с места?

Коробка находится на горизонтальной плоскости. Она подвержена действию силы тяжести, которую уравнивает реакция опоры. Они направлены перпендикулярно коробке и полу. Значит, для определения силы реакции опоры, нужно умножить массу коробки на ускорение:

N = 10 кг * 9,8 м/с² = 98 кг * м/с² = 98 Н;

Ответ: полученное значение превышает усилия, приложенные к коробке со стороны, так как 29,4 Н > 14 Н. Значит, она останется на первоначальном месте.

Сила трения присутствует в жизни постоянно. Она мешает предметам сдвинуться с места и противится их длительному скольжению и перемещению. Ее значение зависит от поверхностей, с которыми приходится соприкасаться, их свойств и характеристик.

Площадь соприкосновения не учитывается, зато имеет значение положение тела. Например, сила, возникающая при движении автомобиля по ровной поверхности, отличается от величины при перемещении по горной местности, расположенной под углом к горизонту. А если машине приходится двигаться на мокрой дороге, то значение снова меняется.

Источник статьи: http://nauka.club/fizika/sila-treniya.html


Adblock
detector