Сила трения

Сила реакции опоры

Представим очень тяжелый предмет, лежащий на столе. Стол прогибается под тяжестью предмета. Но согласно стол воздействует на предмет с точно такой же силой, что и предмет на стол. Сила направлена противоположно силе, с которой предмет давит на стол. То есть вверх. Эта сила называется реакцией опоры. Название силы «говорит» реагирует опора. Эта сила возникает всегда, когда есть воздействие на опору. Природа ее возникновения на молекулярном уровне. Предмет как бы деформировал привычное положение и связи молекул (внутри стола), они, в свою очередь, стремятся вернуться в свое первоначальное состояние, «сопротивляются».

Абсолютно любое тело, даже очень легкое (например,карандаш, лежащий на столе), на микроуровне деформирует опору. Поэтому возникает реакция опоры.

Специальной формулы для нахождения этой силы нет. Обозначают ее буквой , но эта сила просто отдельный вид силы упругости, поэтому она может быть обозначена и как

Сила приложена в точке соприкосновения предмета с опорой. Направлена перпендикулярно опоре.

Так как тело представляем в виде материальной точки, силу можно изображать с центра

Сила трения

Сила трения — это сила, возникающая при соприкосновении двух тел и препятствующая их относительному движению. Причиной возникновения трения является шероховатость трущихся поверхностей и взаимодействие молекул этих поверхностей. Сила трения зависит от материала трущихся поверхностей и от того, насколько сильно эти поверхности прижаты друг к другу. В простейших моделях трения (закон Кулона для трения) считается, что сила трения прямо пропорциональна силе нормальной реакции между трущимися поверхностями. В целом же, в связи со сложностью физико-химических процессов, протекающих в зоне взаимодействия трущихся тел, процессы трения принципиально не поддаются описанию с помощью простых моделей классической механики.

Разновидности силы трения

При наличии относительного движения двух контактирующих тел силы трения, возникающие при их взаимодействии, можно подразделить на:

Трение скольжения — сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих взаимодействующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения.
Трение качения — момент сил, возникающий при качении одного из двух контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого.
Трение покоя — сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга. Возникает при микроперемещениях (например, при деформации) контактирующих тел. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного относительного движения.
Трение верчения — момент силы, возникающий между двумя контактирующими телами при вращении одного из них относительно другого и направленный против вращения. Определяется формулой: M=pN{\displaystyle M=pN}, где N{\displaystyle N} — нормальное давление, p{\displaystyle p} — коэффициент трения верчения, имеющий размерность длины.

Характер фрикционного взаимодействия

В физике взаимодействие трения принято разделять на:

сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками (в том числе и твёрдыми смазочными материалами) — очень редко встречающийся на практике случай, характерная отличительная черта сухого трения — наличие значительной силы трения покоя;
граничное, когда в области контакта могут содержаться слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и так далее) — наиболее распространённый случай при трении скольжения;
смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
жидкостное (вязкое), при взаимодействии тел, разделённых слоем твёрдого тела (порошком графита), жидкости или газа (смазки) различной толщины — как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость, величина вязкого трения характеризуется вязкостью среды;
эластогидродинамическое (вязкоупругое), когда решающее значение имеет внутреннее трение в смазывающем материале, возникает при увеличении относительных скоростей перемещения.

Каковы причины возникновения силы трения (качения и скольжения)

Главная причина возникновения явлений, препятствующих перемещению тел, заключается в неоднородности и шероховатости контактирующих поверхностей. При движении объектов эти дефекты соприкасаются, что и приводит к эффекту торможения.

Помимо этого, причиной трения является существование взаимодействия между молекулами и атомами двух граничащих тел, которое вызывает взаимное притяжение.

Что касается процессов, снижающих скорость качения, то их появление также обуславливается природными деформациями поверхностей. Говоря простым языком, при движении катку требуется постоянно взбираться на небольшие горки, что приводит к замедлению.

Прикладное значение

Трение в механизмах и машинах

В большинстве традиционных механизмов (ДВС, автомобили, зубчатые шестерни и пр.) трение играет отрицательную роль, уменьшая КПД механизма. Для уменьшения силы трения используются различные натуральные и синтетические масла и смазки. В современных механизмах для этой цели используется также напыление покрытий (тонких плёнок) на детали. С миниатюризацией механизмов и созданием микроэлектромеханических систем (МЭМС) и наноэлектромеханических систем (НЭМС) величина трения по сравнению с действующими в механизме силами увеличивается и становится весьма значительной (μ⩾1){\displaystyle (\mu \geqslant 1)}, и при этом не может быть уменьшена с помощью обычных смазок, что вызывает значительный теоретический и практический интерес инженеров и учёных к данной области. Для решения проблемы трения создаются новые методы его снижения в рамках трибологии и науки о поверхности (англ.).

Сцепление с поверхностью

Наличие трения обеспечивает возможность перемещаться по поверхности. Так, при ходьбе именно за счёт трения происходит сцепление подошвы с полом, в результате чего происходит отталкивание от пола и движение вперёд. Точно так же обеспечивается сцепление колёс автомобиля (мотоцикла) с поверхностью дороги. В частности, для улучшения этого сцепления разрабатываются новые формы и специальные типы резины для покрышек, а на гоночные болиды устанавливаются антикрылья, сильнее прижимающие машину к трассе.

Внутреннее трение

Этот процесс также называется в физике альтернативным словом “вязкость”. На самом деле он представляет собой ответвление явлений переноса. Свойственен этот процесс текучим телам. Причем речь идет не только о жидкостях, но и о газообразных веществах. Свойство вязкости заключается в оказании сопротивления при переносе одной части вещества относительно другой. При этом логично совершается работа, необходимая на перемещение частиц. Но она рассеивается в окружающем пространстве в виде тепла.

Закон, определяющий силу вязкого трения, был предложен еще Исааком Ньютоном. Произошло это в 1687 году. Закон и по сегодняшний день носит имя великого ученого. Но все это было только в теории, а экспериментальное подтверждение удалось получить только в начале 19-го века. Соответствующие опыты ставились Кулоном, Хагеном и Пуазейлем.

Итак, сила вязкого трения, которая оказывает на жидкость воздействие, пропорциональна относительной скорости слоев, а также площади. В то же время она обратно пропорциональна тому расстоянию, на котором располагаются слои относительно друг друга. Коэффициент внутреннего трения — это коэффициент пропорциональности, который в данном случае определяется сортом газа или жидкого вещества.

Аналогичным образом будет определяться и другой коэффициент, который имеет место в ситуациях с относительным движением двух течений. Это, соответственно, коэффициент гидравлического трения.

Физика для средней школы

Силы трения. Коэффициент трения

Силой трения называют силу, возникающую при соприкосновении двух тел и препятствующую их относительному перемещению. Она приложена к телам вдоль поверхности соприкосновения. Трение, возникающее между поверхностями различных тел, называют внешним трением. Если трение проявляется между частями одного и того же тела, то оно называется внутренним трением.

Трение между поверхностями двух соприкасающихся твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки называется сухим трением.

Трение между поверхностью твердого тела и окружающей его жидкой или газообразной средой, в которой тело движется, называется вязким трением.

Различают трение покоя, трение скольжения и трение качения.

Сила трения покоя возникает между неподвижными твердыми телами, когда есть силы, действующие в направлении возможного движения тела.

Сила трения покоя всегда равна по модулю и направлена противоположно силе, параллельной поверхности соприкосновения и стремящейся при вести это тело в движение. Увеличение этой приложенной к телу внешней силы приводит к возрастанию и силы трения покоя. Сила трения покоя направлена в сторону, противоположную возможному перемещению тела (рис. 1 а, б). . Максимальная сила трения покоя пропорциональна модулю силы нормального давления , производимого телом на опору:

Рис. 1

Так как по третьему закону Ньютона . Здесь — коэффициент трения покоя, зависящий от материала и состояния трущихся поверхностей. Сила трения покоя препятствует началу движения. Но бывают случаи, когда сила трения покоя служит причиной возникновения движения тела. Например, ходьба человека. При ходьбе сила трения покоя, действующая на подошву, сообщает нам ускорение. Подошва не скользит назад, и, значит, трение между ней и дорогой — это трение покоя.

Рассмотрим брусок, лежащий на тележке (рис. 2). На него действует сила , стремящаяся сдвинуть его с места. В противоположном направлении на брусок со стороны тележки действует сила трения покоя . На тележку со стороны бруска действует такая же по модулю и противоположная по направлению сила , приводящая к движению тележки вправо. Сила трения покоя играет принципиальную роль в движении машин. Шины ведущих колес автомобилей как бы отталкиваются от дороги, и при отсутствии пробуксовки толкающая автомобиль сила — это сила трения покоя.

Рис. 2

Сила трения скольжения возникает при соприкосновении движущихся относительно друг друга тел и затрудняет их движение. Сила трения скольжения направлена вдоль поверхности соприкосновения в сторону, противоположную скорости движения. Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормального давления:

где — коэффициент трения скольжения, зависящий от качества обработки поверхностей и их материала.

для данных тел.

( несколько больше ) — сдвинуть тело с места труднее, чем продолжать его начавшееся скольжение).

Сила трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей тел и их положения относительно друг друга, а также от модуля скорости при небольших скоростях, но зависит от направления скорости: при изменении направления скорости изменяется и направление (рис. 3). Действие сил трения скольжения сопровождается превращением механической энергии во внутреннюю.

Рис. 3

Существование сил трения объясняется проявлением сил электромагнитного взаимодействия. Силы трения покоя вызываются в основном упругими деформациями микровыступов на поверхности трущихся тел, силы трения скольжения возникают в результате пластических деформаций микровыступов и их частичного разрушения, а также сил межмолекулярного взаимодействия в области контактов.

Литература

В Викисловаре есть статья «трение»

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.
Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 2. Износ материалов. Классификация видов износа, методов и машин для лабораторного испытания материалов на износ машины и производственные на них исследования. Машгиз. М.-Л. — 1947. 220 с.
Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 3. Износ машин. Износ машин и деталей и способы борьбы с их износом. Машгиз. М.-Л. — 1947. 164 с.
Зайцев А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. Часть 4. Смазка машин. Машгиз. М.-Л. — 1948. 279 с.
Archbutt L., Deeley R.M. Lubrication and Lubicants. London. — 1927
Арчбютт Л., Дилей Р. М. Трение, смазка и смазочные материалы. Руководство по теории и практике смазки и по методам испытания смазочных материалов. Госгоргеолнефтиздат. — Л. — 1934. — 703 с.
Арчбютт Л., Дилей Р. М. Трение, смазка и смазочные материалы — 2-е изд., перераб. и доп. — М.-Л.: Гостоптехиздат. — 1940. — 824 с.
Дерягин Б. В. Что такое трение? М.: Изд. АН СССР, 1963.
Крагельский И. В., Щедров В. С. Развитие науки о трении. Сухое трение. М.: Изд. АН СССР, 1956.
Фролов, К. В. (ред.) Современная трибология: Итоги и перспективы. ЛКИ, 2008.
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.

Закон Амонтона — Кулона

Основная статья: Закон Амонтона — Кулона

Основной характеристикой трения является коэффициент трения μ{\displaystyle \mu }, определяющийся материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел.

В простейших случаях сила трения F{\displaystyle F} и нормальная нагрузка (или сила нормальной реакции) Nnormal{\displaystyle N_{normal}} связаны неравенством

|F|⩽μNnormal,{\displaystyle |F|\leqslant \mu {N_{normal}},}

Пары материалов	μ{\displaystyle \mu } покоя	μ{\displaystyle \mu } скольжения
Сталь-Сталь	0.5-0.8	0,15-0,18
Резина-Сухой асфальт	0,95-1,0	0,50-0,8
Резина-Влажный асфальт		0,25-0,75
Лёд-Лёд	0,05-0,1	0,028
Резина-Лёд	0,3	0,15-0,25
Стекло-Стекло	0,9	0,7
Нейлон-Нейлон	0,15-0,25
Полистирол-Полистирол	0,5
Плексиглас, оргстекло	0,8

Закон Амонтона — Кулона с учетом адгезии

Для большинства пар материалов значение коэффициента трения μ{\displaystyle \mu } не превышает 1 и находится в диапазоне 0,1 — 0,5. Если коэффициент трения превышает 1 (μ>1){\displaystyle (\mu >1)}, это означает, что между контактирующими телами имеется сила адгезии Nadhesion{\displaystyle N_{adhesion}} и формула расчета коэффициента трения меняется на

μ=(Ffriction+Fadhesion)Nnormal{\displaystyle \mu =(F_{friction}+F_{adhesion})/{N_{normal}}}.

Основные понятия и законы динамики

Часть механики, изучающая причины, вызвавшие ускорение тел, называется динамикой

Первый закон Ньютона:
Cуществуют такие системы отсчёта, относительно которых тело сохраняет свою скорость постоянной или покоится, если на него не действуют другие тела или действие других тел скомпенсировано.
Свойство тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при уравновешенных внешних силах, действующих на него, называется инертностью. Явление сохранения скорости тела при уравновешенных внешних силах называют инерцией. Инерциальными системами отсчёта называют системы, в которых выполняется первый закон Ньютона.

Принцип относительности Галилея:во всех инерциальных системах отсчёта при одинаковых начальных условиях все механические явления протекают одинаково, т.е. подчиняются одинаковым законамМасса — это мера инертности телаСила — это количественная мера взаимодействия тел.

Второй закон Ньютона:Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на ускорение, сообщаемое этой силой:
$F{→} = m⋅a{→}$

Сложение сил заключается в нахождении равнодействующей нескольких сил, которая производит такое же действие, как и несколько одновременно действующих сил.

Третий закон Ньютона: Силы, с которыми два тела действуют друг на друга, расположены на одной прямой, равны по модулю и противоположны по направлению:
$F_1{→} = -F_2{→} $

III закон Ньютона подчёркивает, что действие тел друг на друга носит характер взаимодействия. Если тело A действует на тело B, то и тело B действует на тело
A (см. рис.).
Или короче, сила действия равна силе противодействия. Часто возникает вопрос: почему лошадь тянет сани, если эти тела взаимодействуют с равными силами? Это возможно только за счёт взаимодействия с третьим телом — Землёй. Сила, с которой копыта упираются в землю, должна быть больше, чем сила трения саней о землю. Иначе копыта будут проскальзывать, и лошадь не сдвинется с места.
Если тело подвергнуть деформации, то возникают силы, препятствующие этой деформации. Такие силы называют силами упругости.

Закон Гука записывают в виде
где k — жёсткость пружины, x — деформация тела. Знак «−» указывает, что сила и деформация направлены в разные стороны.

При движении тел друг относительно друга возникают силы, препятствующие движению. Эти силы называются силами трения. Различают трение покоя и трение скольжения. Сила трения скольжения подсчитывается по формуле
где N — сила реакции опоры, µ — коэффициент трения.
Эта сила не зависит от площади трущихся тел. Коэффициент трения зависит от материала, из которого сделаны тела, и качества обработки их поверхности.

Трение покоя возникает, если тела не перемещаются друг относительно друга. Сила трения покоя может меняться от нуля до некоторого максимального значенияГравитационными силами называют силы, с которыми любые два тела притягиваются друг к другу.

Закон всемирного тяготения:Весом телаСила тяжестиНевесомостьюИскусственный спутник ЗемлиПервая космическая скорость

1.3. Основные понятия и законы статики и гидростатики

устойчивое, неустойчивое и безразличное.устойчивое равновесие.неустойчивое положениебезразличноеПлечом силыУсловие равновесия рычага:Давлениемзакон Паскаля:Гидравлический прессA1 = A2.силой Архимедазакон Архимеда_жидк_погрУсловие плавания тела

1.4. Законы сохранения

Импульсом телаимпульсом силы.закон сохранения импульсаМеханической работойМощностьэнергией.кинетическую и потенциальную.кинетической энергией.потенциальной энергией.Энергия сжатой пружины:механическую энергию.закон сохранения механической энергии

1.5. Механические колебания и волны

КолебаниямиГармоническими колебаниямиамплитудой колебанийПериодом TЧастотой периодических колебаний-1Математическим маятникомПериод колебаний математического маятникаПериод колебаний груза на пружинеРаспространение колебаний в упругих средах.поперечнойпродольнойДлиной волныЗвуковыми волнами

Типы трения скольжения

Если между телами отсутствует жидкая или газообразная прослойка (смазочный материал), то такое трение называется сухим. В противном случае, трение называется «жидким». Характерной отличительной чертой сухого трения является наличие трения покоя.

По физике взаимодействия трение скольжения принято разделять на:

Сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазочными материалами — очень редко встречающийся на практике случай. Характерная отличительная черта сухого трения — наличие значительной силы трения покоя;
Сухое с сухой смазкой (графитовым порошком);
Жидкостное, при взаимодействии тел, разделённых слоем жидкости или газа (смазочного материала) различной толщины — как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость;
Смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
Граничное, когда в области контакта могут содержаться слои и участки различной природы (оксидные плёнки, жидкость и т. д.) — наиболее распространённый случай при трении скольжения;

Также можно классифицировать трение по его области. Силы трения, возникающие при относительном перемещении различных тел, называются силами внешнего трения. Силы трения возникают и при относительном перемещении частей одного и того же тела. Трение между слоями одного и того же тела называется внутренним трением.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. При измерении коэффициента трения брусок перемещали но горизонтальной поверхности стола и получили значение силы трения $ F_1 $. Затем на брусок положили груз, масса которого в 2 раза больше массы бруска, и получили значение силы трения $ F_2 $. При этом сила трения $ F_2 $

1) равна $ F_1 $ 2) в 2 раза больше $ F_1 $ 3) в 3 раза больше $ F_1 $ 4) в 2 раза меньше $ F_1 $

2. В таблице приведены результаты измерений силы трения и силы нормального давления при исследовании зависимости между этими величинами.

Закономерность $ \mu=N/F_{тр} $ выполняется для значений силы нормального давления

1) только от 0,4 Н до 2,0 Н 2) только от 0,4 Н до 3 Н 3) только от 0,4 Н до 4,5 Н 4) только от 2,0 Н до 4,5 Н

3. При измерении силы трения брусок перемещали по горизонтальной поверхности стола и получили значение силы трения $ F_1 $. Затем брусок перемещали, положив его на стол гранью, площадь которой в 2 раза больше, чем в первом случае, и получили значение силы трения $ F_2 $. Сила трения $ F_2 $

1) равна $ F_1 $ 2) в 2 раза больше $ F_1 $ 3) в 2 раза меньше $ F_1 $ 4) в 4 раза меньше $ F_1 $

4. Два деревянных бруска массой $ m_1 $ и $ m_2 $ скользят по горизонтальной одинаково обработанной поверхности стола. На бруски действует сила трения скольжения $ F_1 $ и $ F_1 $ соответственно. При этом известно, что $ F_2=2F_1 $. Следовательно, $ m_1 $

1) $ m_1 $ 2) $ 2m_2 $ 3) $ m_2/2 $ 4) ответ зависит от значения коэффициента трения

5. На рисунке приведены графики зависимости силы трения от силы нормального давления. Сравните значения коэффициента трения.

1) $ \mu_2=\mu_1 $ 2) $ \mu_2>\mu_1 $ 3) $ \mu_2<\mu_1 $ 4) $ \mu_2>>\mu_1 $

6. Учащийся выполнял эксперимент по измерению силы трения, действующей на два тела, движущихся по горизонтальным поверхностям. Масса первого тела $ m_1 $, масса второго тела $ m_2 $, причем $ m_1 =2m_2 $. Он получил результаты, представленные на рисунке в виде диаграммы. Какой вывод можно сделать из анализа диаграммы?

1) сила нормального давления $ N_2=2N_1 $ 2) сила нормального давления $ N_1=N_2 $ 3) коэффициент трения $ \mu_1=\mu_2 $ 4) коэффициент трения $ \mu_2=2\mu_1 $

7. Два автомобиля одинаковой массы движутся один но асфальтовой дороге, а другой — по грунтовой. На диаграмме приведены значения силы трения для этих автомобилей. Сравните значения коэффициента трения ($ \mu_1 $ и $ \mu_2 $).

1) $ \mu_2=0.3\mu_1 $ 2) $ \mu_2=\mu_1 $ 3) $ \mu_2=1.5\mu_1 $ 4) $ \mu_2=3\mu_1 $

8. На рисунке приведён график зависимости силы трения от силы нормального давления. Чему равен коэффициент трения?

1) 0,5 2) 0,2 3) 2 4) 5

9. Санки весом 3 кг скользят по горизонтальной дороге. Сила трения скольжения их полозьев о дорогу 6 Н. Чему равен коэффициент трения скольжения полозьев о дорогу?

1) 0,2 2) 0,5 3) 2 4) 5

10. При движении тела массой 40 кг по горизонтальной поверхности действует сила трения скольжения 10 Н. Какой станет сила трения скольжения при уменьшении массы тела в 5 раз?

1) 1 Н 2) 2 Н 3) 4 Н 4) 5 Н

11. Установите соответствие между физической величиной (левый столбец) и характером её изменения (правый столбец) при увеличении массы бруска, движущегося по столу. В ответе запишите подряд номера выбранных ответов

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА A. Сила трения Б. Коэффициент трения B. Сила нормального давления

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ 1) уменьшается 2) увеличивается 3) не изменяется

12. Из приведённых ниже утверждений выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Сила трения покоя больше приложенной к телу силе. 2) Сила трения качения меньше силы трения скольжения при той же массе тела. 3) Коэффициент трения скольжения прямо пропорционален силе нормального давления. 4) Сила трения зависит от площади опоры движущегося тела при одинаково обработанной его поверхности. 5) Максимальная сила трения покоя равна силе трения скольжения.

Часть 2

13. Автомобиль, имея скорость 72 км/с, начинает тормозить с выключенным двигателем и проходит путь 100 м. Чему равны ускорение автомобиля и время торможения?

Что такое сила тяжести?

Сила тяжести — это сила, с которой Земля притягивает к себе тело. Эта сила всегда направлена вертикально вниз. Запомни: чем больше масса тела, тем больше сила тяжести, действующая на это тело. Именно поэтому нам трудно поднять или сдвинуть с места очень тяжелые предметы. И чем тяжелее предмет, тем больше сила тяжести и тем сложнее нам преодолеть эту силу. Сила тяжести, действующая на тело, несколько отдаленное от поверхности Земли, зависит от массы тела и расстояния.

«Космические» факты

Каждый космонавт переживает так называемую космическую болезнь: при отсутствии силы тяготения он привыкает к тому, что все окружающие предметы, да и он сам, летают, а не падают. Поэтому по возвращении на Землю космонавты в течение некоторого времени обращаются с вещами так, как привыкли это делать в космосе: просто отпускают их, при этом совершенно не задумываясь над тем, что они сразу упадут на землю или на пол.

В условиях невесомости в организме космонавта увеличивается объем циркулирующей крови, что, в свою очередь, может привести к повышению давления. Однако сердце космонавта очень интересно приспосабливается к данной ситуации: во избежание дополнительной нагрузки оно уменьшается в объеме и, соответственно, начинает перекачивать меньшее количество крови. Это своеобразная защитная реакция на увеличение объема крови.

Ученые выяснили, что в случае длительного пребывания в невесомости (состояние, при котором вес тела равен нулю) в организме человека происходят некоторые изменения. Например, рост космонавтов увеличивается почти на 5 см за счет расхождения позвоночных дисков. В течение 10 дней после возвращения на Землю рост становится прежним.

Прикладное значение

Трение в механизмах и машинах

Сцепление с поверхностью

Сила трения качения

Рис. 1. R→p{\displaystyle {\vec {R}}_{p}} — реакция опоры; N→{\displaystyle {\vec {N}}} — прижимающая сила; F→t{\displaystyle {\vec {F}}_{t}} — сила трения качения, P→=−F→t{\displaystyle {\vec {P}}=-{\vec {F}}_{t}} — внешняя сила (приложена к центру тела и направлена вправо, на рисунке не показана); сумма векторов сил N→+P→+R→p=.{\displaystyle {\vec {N}}+{\vec {P}}+{\vec {R}}_{p}=0\,.}

Пусть на тело вращения, располагающееся на опоре, действуют

P — внешняя сила, пытающаяся привести тело в состояние качения или поддерживающая качение и направленная вдоль опоры;
N — прижимающая сила;
Rp{\displaystyle R_{p}} — реакция опоры.

Если векторная сумма этих сил равна нулю

N→+P→+R→p=,{\displaystyle {\vec {N}}+{\vec {P}}+{\vec {R}}_{p}=0,}

то ось симметрии тела движется равномерно и прямолинейно или остаётся неподвижной (см. рис. 1). Вектор F→t=−P→{\displaystyle {\vec {F}}_{t}=-{\vec {P}}} определяет силу трения качения, противодействующую движению. Это означает, что прижимающая сила уравновешивается вертикальной составляющей реакции опоры, а внешняя сила уравновешивается горизонтальной составляющей реакции опоры.

Рис. 2. P→{\displaystyle {\vec {P}}} — внешняя сила; F→t{\displaystyle {\vec {F}}_{t}} — сила трения качения; R — радиус тела вращения; F→t=−P→.{\displaystyle {\vec {F}}_{t}=-{\vec {P}}.}

Равномерное качение означает также, что сумма моментов сил относительно произвольной точки равна нулю. Из равновесия относительно оси вращения моментов сил, изображённых на рис. 2 и 3, следует:

Ft⋅R=N⋅f,{\displaystyle F_{t}\cdot R=N\cdot f,}

откуда

Ft=fR⋅N,{\displaystyle F_{t}={\frac {f}{R}}\cdot N,}

где

Ft{\displaystyle F_{t}} — сила трения качения;

f — коэффициент трения качения, имеющий размерность длины (следует отметить важное отличие от коэффициента трения скольжения, который безразмерен);

R — радиус катящегося тела;

N — прижимающая сила.

Рис. 3. Момент силы трения Mt=N⋅f,{\displaystyle M_{t}=N\cdot f,} действующий против часовой стрелки (относительно мгновенного центра вращения в зоне контакта — правого конца отрезка f) и тормозящий качение тела вправо; N — прижимающая сила; f — коэффициент трения качения, равный длине плеча силы N.

Рис. 4. Коэффициент трения f; R→p=−N→+F→t{\displaystyle {\vec {R}}_{p}=-{\vec {N}}+{\vec {F}}_{t}} — асимметричная реакция опорной поверхности, векторная сумма вертикальной −N→{\displaystyle -{\vec {N}}} и горизонтальной F→t{\displaystyle {\vec {F}}_{t}} компонент; N→{\displaystyle {\vec {N}}} — прижимающая сила; F→t{\displaystyle {\vec {F}}_{t}} — сила трения качения.

Эта зависимость подтверждается экспериментально. Для малой скорости качения сила трения качения не зависит от величины этой скорости. Когда скорость качения достигает значений, сопоставимых со значениями скорости деформации в материале опоры, трение качения резко возрастает и даже может превысить трение скольжения при аналогичных условиях.

Момент сил трения качения

Определим для подвижного цилиндра момент, тормозящий вращательное движение тела. Рассматривая данный момент относительно оси вращающегося колеса (например, колеса автомобиля), находим, что он равен произведению тормозного усилия на оси на радиус колеса. Относительно точки контакта движущегося тела с землей момент будет равен произведению внешней силы, уравновешивающей силу трения, на радиус колеса (рис. 2):

Mt=Ft⋅R=P⋅R{\displaystyle M_{t}=F_{t}\cdot R=P\cdot R}.

С другой стороны, момент трения равен моменту прижимающей силы N→{\displaystyle {\vec {N}}} на плечо, длина которого равна коэффициенту трения качения f:

Mt=f⋅N,{\displaystyle M_{t}=f\cdot N,}

где

Mt=f⋅N{\displaystyle M_{t}=f\cdot N} — момент силы трения в · ;
R — радиус тела качения;
P — внешняя сила;
Ft{\displaystyle F_{t}} — сила трения качения;
f — коэффициент трения качения в .

Коротко о типах трения

Отличают такие разновидности, как:

покоя,
скольжения,
качения.

Прилагая минимум F тр. пок., объект начнет свое движение. Она не определяется достаточно точно и зависит от приложенного усилия. Поразительно, но именно оно разгоняет тела. F тр. пок. не исчезает бесследно, после того, как привела в движение предмет, она превращается в F тр. , а, следовательно, не может бесконечно увеличиваться — есть верхний максимальный предел, равный по величине F тр. скольжения.

В названии «сила трения качения» скрыта суть самого явления. Она намного меньше трения скольжения и возникает во время качения одного тела по-другому, скорости их соприкосновения в точках касания одинаковы по направлению и значению.

Типы трения скольжения различают по физике взаимодействия:

Вязкое. Появляется, когда взаимодействующие тела разделены между собой слоем жидкости, газа или иного смазочного материала различного размера. F тр. пок. отсутствует. Абсолютная величина этой силы сопротивления зависит от скорости: прямо пропорциональна скорости при малых скоростях движение и прямо пропорциональна ее квадрату при больших.
Сухое. Дополнительным смазочным материалом соприкасающиеся тела не разделены. Может возникать даже при отсутствии относительного движения предметов. Особый пример — F тр. покоя . Существует вид сухого взаимодействия с сухой смазкой, как пример, со слоем графитового порошка.
Граничное. Одновременное содержание и слоев, и частей отличных по природе.
Смешанное. Имеются участки частичной смазки.

Формула выглядит следующим образом:

F тр. скольж. = μN .

Использовались такие физические величины, как, μ — коэффициент трения скольжения, N — сила реакции опоры.

Также можно вывести формулу через массу:

F <> μmg,

где N = mg, g — свободного падения.