Сили тертя, фізика
1. Сила тертя ковзання
Штовхнемо лежить на столі брусок, повідомивши йому деяку початкову швидкість. Ми побачимо, що брусок ковзає по столу і його швидкість зменшується до повної зупинки (на малюнку 17.1 показані послідовні положення бруска через рівні проміжки часу). Як ви вже знаєте з курсу фізики основної школи, гальмує брусок сили тертя ковзання, що діє на нього з боку столу.
Сили тертя ковзання діють на кожне з дотичних тіл, коли вони рухаються один щодо одного.
Ці сили діють на кожне з дотичних тіл (рис. 17.2). Вони рівні за модулем і протилежні за напрямком, тому що пов'язані третім законом Ньютона.
Коли брусок ковзає по столу, ми не помічаємо силу тертя ковзання, діючу на стіл з боку бруска, тому що стіл прикріплений до підлоги (або на стіл з боку статі діє досить велика сила тертя спокою, мова про яку піде далі).
Якщо ж штовхнути брусок, що лежить на візку, то під дією сили тертя ковзання, що діє на візок з боку бруска, візок стане рухатися з прискоренням, а швидкість бруска щодо візки буде зменшуватися.
1. У скільки разів прискорення бруска щодо столу в цьому досвіді більше, ніж прискорення візка щодо столу, якщо маса бруска 200 г, а маса візка 600 г? Тертям між візком і столом можна знехтувати.
Сили тертя ковзання спрямовані уздовж поверхні зіткнення тіл. Діюча на кожне тіло сила тертя спрямована протилежно швидкості цього тіла відносно іншого тіла.
Сили тертя ковзання обумовлені головним чином зачепленням і руйнуванням нерівностей дотичних тіл (ці нерівності на малюнку 17.3 для наочності перебільшені). Тому зазвичай чим більш гладкі поверхні дотичних тіл, тим менше сили тертя між ними.
Однак якщо зробити дотичні поверхні дуже гладкими (наприклад, відшліфувати їх), то сила тертя ковзання може збільшитися внаслідок дії сил міжмолекулярної тяжіння.
З'ясуємо, від чого залежить сила тертя ковзання.
Від чого залежить сила тертя ковзання?
поставимо досвід
Будемо за допомогою динамометра тягнути брусок по столу з постійною швидкістю (рис. 17.4, а), прикладаючи до нього горизонтально спрямовану силу упр.
При русі з постійною швидкістю прискорення бруска дорівнює нулю. Отже, силу тертя ковзання, що діє на брусок з боку столу, врівноважує сила пружності, що діє на брусок з боку динамометра. Значить, ці сили рівні за модулем, тобто динамометр показує модуль сили тертя.
Повторимо досвід, поклавши на брусок іншої такої ж брусок (рис. 17.4, б). Ми побачимо, що сила тертя ковзання збільшилася в 2 рази. Зауважимо тепер, що в цьому досвіді (в порівнянні з досвідом з одним бруском) сила нормальної реакції теж збільшилася в 2 рази.
Змінюючи силу нормальної реакції, можна переконатися, що модуль сили тертя ковзання Fтр пропорційний модулю сили нормальної реакції N:
Як показує досвід, сила тертя ковзання практично не залежить від відносної швидкості руху дотичних тіл і від площі їхнього зіткнення.
Коефіцієнт пропорційності μ називають коефіцієнтом тертя. Його визначають з досвіду (див. Лабораторну роботу 4). Він залежить від матеріалу і якості обробки дотичних поверхонь. На форзаці задачника (під обкладинкою) наведені наближені значення коефіцієнта тертя для деяких видів поверхонь.
Коефіцієнт тертя шин по мокрому асфальту або по льоду в кілька троянд менше коефіцієнта тертя шин по сухому асфальту. Тому гальмівний шлях автомобіля значно збільшується під час дощу або ожеледиці. Про слизькій дорозі водіїв попереджає дорожній знак (рис. 17.5).
2. Тіло масою m рухається по горизонтальній поверхні. Коефіцієнт тертя між тілом і поверхнею μ.
а) Чому дорівнює сила тертя ковзання?
б) З яким по модулю прискоренням рухається тіло, якщо на нього діють тільки сила тяжіння, сила нормальної реакції і сила тертя ковзання?
3. Лежачому на столі бруска повідомили швидкість 2 м / с, і він пройшов до зупинки 1 м (гальмівний шлях). Чому дорівнює коефіцієнт тертя між бруском і столом?
4. Можна приблизно вважати, що на автомобіль при гальмуванні діє сила тертя ковзання. Оцініть, чому дорівнює гальмівний шлях автомобіля на сухому асфальті і на льоду при початковій швидкості 60 км / год; 120 км / год. Порівняйте знайдені значення з довжиною класної кімнати.
Отримані відповіді здивують вас. Напевно, ви станете обережніше на дорозі під час дощу і особливо ожеледиці.
2. Сила тертя спокою
поставимо досвід
Спробуйте зрушити з місця шафа (рис. 17.6). Він буде залишатися в спокої, навіть якщо прикладати до нього досить велику силу.
Яка ж сила врівноважує горизонтально спрямовану силу, прикладену вами до шафи? Це сила тертя спокою, що діє на шафу з боку статі.
Сили тертя спокою виникають при спробі зрушити одне з дотичних тіл щодо іншого в тому випадку, коли тіла залишаються в спокої один щодо одного. Ці сили перешкоджають відносному руху тел.
5. Чи діє сила тертя спокою на підлогу з боку шафи (рис. 17.6)?
Причини виникнення сили тертя спокою схожі з причинами виникнення сили тертя ковзання: наявність нерівностей на дотичних поверхнях тіл і дію сил міжмолекулярної тяжіння.
Будемо поступово збільшувати прикладену до шафи горизонтальну силу. При досягненні деякого її значення шафа зрушиться з місця н почне ковзати по підлозі. Отже, модуль сили тертя спокою Fтр.пок не перевищує деякого граничного значення, званого максимальною силою тертя спокою.
Досвід показує, що максимальна сила тертя спокою трохи більше сили тертя ковзання. Однак для спрощення рішення шкільних завдань приймають, що максимальна сила тертя спокою дорівнює силі тертя ковзання:
Якщо тіло покоїться, то сила тертя спокою тр.пок врівноважує силу, спрямовану уздовж поверхні зіткнення тіл і прагне зрушити тіло.
Отже, в цьому випадку
Зверніть увагу: сила тертя спокою задовольняє двом співвідношенням - нерівності (4) і рівності (5). З них слід нерівність для сили, яка не може зрушити тіло:
Якщо ж F> μN, то тіло почне ковзати, і на нього буде діяти сала тертя ковзання. В такому випадку
Співвідношення (3) і (5) ілюструє графік залежності сили тертя Fтр від прикладеної до тіла сили F (рис. 17.7).
6. До лежачого на столі бруска масою 1 кг прикладають горизонтальну силу, рівну по модулю F. Коефіцієнт тертя між бруском і столом дорівнює 0,3. Чому дорівнює діюча на брусок з боку столу сила тертя, якщо F = 2 Н? F = 5 Н?
7. Тягач тягне по горизонталі зв'язку колод масою 10 т з силою 40 кН. Чому дорівнює прискорення зв'язки, якщо коефіцієнт тертя між колодами і дорогий дорівнює 0,3? 0,5?
8. Що знаходиться на столі брусок масою 1 кг тягнуть горизонтальної пружиною жорсткістю 100 Н / м. Коефіцієнт тертя 0,3. Яке подовження x пружини, якщо брусок спочиває? рухається зі швидкістю 0,5 м / с?
Чи може сила тертя бути рушійною силою?
Роблячи крок, людина штовхає дорогу назад, діючи на неї силою тертя спокою ТР1. адже підошва під час поштовху покоїться щодо дороги (на це іноді вказує чіткий відбиток підошви) (рис. 17.8, а). Згідно з третім законом Ньютона, з боку дороги на людину діє така ж по модулю сила тертя спокою ТР2. спрямована вперед.
Сила тертя спокою розганяє і автомобіль (рис. 17.8, б). Коли колесо котиться без проковзування, його нижня точка спочиває щодо дороги. Провідне колесо автомобіля (приводиться в обертання двигуном) штовхає дорогу назад, діючи на неї силою тертя спокою ТР1. Згідно з третім законом Ньютона, дорога при атом штовхає колесо (а разом з ним і автомобіль) вперед силою тертя спокою ТР2. Саме цю силу і називають часто силою тяги.
9. З якою метою локомотиви (електровози і тепловози) роблять дуже масивними?
10. Коефіцієнт тертя між шинами ведучих коліс автомобіля і дорогою дорівнює 0,5. Вважайте, що опором повітря можна знехтувати.
а) З яким максимально можливим прискоренням може рухатися автомобіль, якщо всі його колеса - ведучі?
б) Збільшилося б або зменшилася максимально можливе прискорення автомобіля, якщо провідними були б тільки передні або тільки задні колеса? Обгрунтуйте свою відповідь.
Підказки. Прискорення автомобіля обумовлено дією сили тертя спокою з боку дороги.
Додаткові питання і завдання
11. На малюнку 17.9 наведено графіки залежності сили тертя ковзання від сили нормальної реакції при русі по столу трьох різних брусків. Між яким бруском і столом коефіцієнт тертя найбільший? Чому він дорівнює?
12. На столі лежить стопка з чотирьох однакових книг масою 500 г кожна (рис. 17.10). Коефіцієнт тертя між обкладинками книг дорівнює 0,4. Яку горизонтально спрямовану силу треба прикласти, щоб, притримуючи інші книги:
а) зрушити книгу 4?
б) зрушити книги 3 і 4 разом?
в) витягнути книгу 3?
г) витягнути книгу 2?
13. Оцініть, до якої швидкості може розігнатися за 2 з автомобіль на мокрому асфальті. Всі його колеса ведучі.