1. Определение силы трения
Трение — это сила сопротивления, действующая между поверхностями объектов, соприкасающихся друг с другом. В данной теме изучается сила трения, связанная с силой трения, действующей между двумя соприкасающимися поверхностями твердых тел. Например, трение между основанием балки и поверхностью пола, трение между основанием обуви и поверхностью пола, трение между колесами автомобиля и дорожной поверхностью.
Сила трения всегда действует на поверхности твердых объектов, соприкасающихся друг с другом, даже если эти объекты очень гладкие. Даже гладкие поверхности на микроскопическом уровне на самом деле очень шероховатые. Когда объект движется, эти микроскопические выступы препятствуют движению. На атомном уровне выступы на поверхности заставляют атомы находиться очень близко к другим поверхностям, так что электрические силы между атомами могут образовывать химические связи, например, соединение двух поверхностей движущегося объекта. Когда объект движется, например, когда вы толкаете книгу по поверхности стола, движение книги сталкивается с препятствиями и, наконец, останавливается. Это происходит из-за образования и разрыва связи.
Если поверхность одного объекта трется о поверхность другого объекта, каждый из этих объектов работает за счет трения друг о друга. Сила трения, действующая на движущийся объект, всегда направлена в противоположную сторону направлению движения объекта. Помимо замедления движения объектов, трение может вызывать износ и повреждения. Мы можем наблюдать это на примере двигателя транспортного средства. Например, когда мы подаем смазочное масло в двигатель мотоцикла, мы хотим уменьшить силу трения, возникающую внутри двигателя. Если смазочное масло не подается, двигатель нашего транспортного средства быстро выходит из строя. Этот пример является одним из видов потерь, вызванных трением.
2. Типы силы трения
Существует два типа сил трения: сила статического трения (f<sub> s</sub> ) и сила кинетического трения (f<sub> k</sub> ). Сила статического трения действует, когда объект неподвижен, а сила кинетического трения — когда объект движется. Если вы толкаете стол, но стол не движется, то сила трения, действующая на неподвижный стол, — это сила статического трения. И наоборот, когда стол движется, сила трения, действующая на него, — это сила кинетического трения. Если движущийся стол не постоянно толкать, он остановится через некоторое время. Стол остановится из-за силы кинетического трения, которая блокирует его движение.
Вы когда-нибудь поскальзывались, наступая на гладкую поверхность? Когда вы скользите, сила трения, действующая между подошвой обуви или сандалий и гладкой поверхностью, называется кинетическим трением. Эта проблема похожа на ситуацию, когда мотоцикл или автомобиль движется по мокрой и гладкой дороге, тормозя до тех пор, пока колесо не начнет проскальзывать. Когда колеса проскальзывают, сила трения, действующая на поверхность колеса и дорожное покрытие, называется силой кинетического трения. И наоборот, когда вы идете, сила трения, действующая между подошвой обуви или сандалий и поверхностью пола, называется силой статического трения. Аналогично, когда колеса не проскальзывают, сила трения, действующая на поверхность колеса и дороги, называется силой статического трения.
2.1 Сила статического трения
Сила статического трения — это сила трения, действующая на поверхность соприкасающихся объектов, когда объекты еще не двигались.
На рисунке 1 показан объект, находящийся на поверхности плоской плоскости. Если объект еще не сдвинулся с места, то сила статического трения (fs) меньше силы притяжения (F). Если притяжение продолжится, объект начнет двигаться. Когда объект начнет двигаться, величина силы статического трения (f) уменьшится.s) равна величине силы натяжения (F).
Первый закон Ньютона гласит, что объекты находятся в состоянии покоя, если суммарная сила (результирующая сила) равна нулю.
ΣF y = 0 (Объект покоится и не движется в вертикальном направлении)
Н – в = 0
N = w (1.2)
Замените N в уравнении 1.1 на N в уравнении 1.2.
f s = μ s w
f s = μ s mg (1.3)
fs = сила статического трения (Н), μs = коэффициент статического трения, N = нормальная сила (Н), w = ускорение свободного падения (Н), m = масса (кг), g = ускорение свободного падения (м/ с² )
Если вы хотите определить коэффициент статического трения, используйте уравнение 1.1 b.
Σf x = 0 (Объект покоится и не движется в горизонтальном направлении)
F – f s = 0
F = f s (1.4)
Когда объект начинает двигаться, максимальная сила статического трения равна величине силы толчка или тяги.
2.2 Сила кинетического трения
Сила кинетического трения — это сила трения, действующая на поверхности объектов, соприкасающихся друг с другом при движении объекта.
Если вы хотите определить коэффициент кинетического трения (μk ) , используйте уравнение 1.5b.
На рисунке 2 показан объект, который равномерно растягивается, так что он движется с постоянной скоростью. При движении с постоянной скоростью величина силы кинетического трения (fk) равна величине силы притяжения (F).
Первый закон Ньютона гласит, что объект движется с постоянной скоростью, если суммарная сила (результирующая сила) равна нулю.
ΣF x = 0 (объекты движутся с постоянной скоростью в горизонтальном направлении)
F – f k = 0
F = f k (1.6)
Пример задачи 1:
Студент тянет балку массой 1 кг, расположенную на поверхности стола, с помощью динамометра (прибора для измерения силы). Когда балка начнет двигаться, динамометр покажет число 2 Н. Если ускорение свободного падения = 10 м/с² , определите (а) величину силы статического трения (б) коэффициент статического трения.
Решение:
Известно : m = 1 кг, F = 2 Н, g = 10 м/с² , w = mg = 10 Н
(а) f s
Когда балка начнет двигаться, величина силы статического трения будет равна величине силы натяжения (сравните уравнение 1.4). Следовательно, f s = F = 2 Н.
(б) мкс
f s = μ s w
2 Н = (μ с )(10 Н)
μs = 2 Н / 10 Н = 0.2
Пример задачи 2:
Балка массой 1 кг, расположенная над поверхностью стола, регулярно перемещается с постоянной скоростью. Когда балка движется с постоянной скоростью, динамометр показывает 1 Н. Если ускорение свободного падения = 10 м/с² , определите (а) величину силы кинетического трения (б) коэффициент кинетического трения.
Решение:
Известно: m = 1 кг, g = 10 м/с² , F = 1 Н, w = mg = 10 Н
(а) ф к
Когда балка движется равномерно или с постоянной скоростью, величина силы кинетического трения равна величине силы притяжения (сравните с уравнением 1.6).
Таким образом, f k = F = 1 Н
(b) μ k
f k = μ k w
1 Н = (μ k )(10 Н)
μ k = 1 Н / 10 Н = 0.1
