Трение

Материал из Юнциклопедии
(перенаправлено с «ТРЕНИЕ»)
Перейти к: навигация, поиск

Почему звучит скрипичная струна, когда по ней ведут смычком? Ведь смычок движется равномерно, а колебания струны периодические. А как разгоняется автомобиль и какая сила замедляет его при торможении? Почему автомобиль «заносит» на скользкой дороге? Ответы на все эти и многие другие важные вопросы, связанные с движением тел, дают законы трения.

Рис. 1. Силы трения, действующие на автомобиль при разгоне (а) и торможении (б). Зависимость силы сухого трения от скорости относительного движения (в).
мини
мини


В XVIII в. французский физик Кулон открыл закон, согласно которому сила трения $F_{тр}$ между твердыми телами не зависит от площади соприкосновения, а пропорциональна силе $N,$ сдавливающей тела:

$F_{тр}=kN.$

Коэффициент трения $k$ зависит только от свойств трущихся поверхностей и обычно лежит в пределах от $0,5$ до $0,15.$ Хотя с тех пор было выдвинуто немало гипотез, объясняющих этот закон, до сих пор полной теории сил трения не существует. Трение определяется свойствами поверхности твердых тел, а они очень сложны и до конца еще не исследованы.

Поверхность твердого тела обычно обладает неровностями. Например, даже у очень хорошо отшлифованных металлов в электронный микроскоп видны «горы» и «впадины» размером в $10$–$100$ нм. При сжатии тел соприкосновение происходит только в самых высоких местах и площадь реального контакта значительно меньше общей площади соприкасающихся поверхностей. Давление в местах соприкосновения может быть очень большим, и там возникает пластическая деформация. При этом площадь контакта увеличивается, а давление падает. Так продолжается до тех пор, пока давление не достигнет определенного значения $P_0,$ при котором деформация прекращается. Поэтому площадь фактического контакта S′ оказывается пропорциональной сжимающей силе: $P_0S′=N.$

В месте контакта действуют силы молекулярного сцепления (известно, например, что очень чистые и гладкие металлические поверхности прилипают друг к другу). Таким образом, сила трения оказывается пропорциональной величине N, и коэффициент пропорциональности зависит от свойств поверхностей.

Эта модель сил сухого трения (так называют трение между твердыми телами), по‑видимому, близка к реальной ситуации в металлах. Однако в других случаях картина менее ясна, и рассчитать теоретически, чему равен коэффициент трения, пока никому не удавалось.

Закон Кулона определяет максимальную величину силы трения. Если тело, например, просто лежит на горизонтальной поверхности, то сила трения на него не действует. Трение возникает, если попытаться сдвинуть тело, приложить к нему силу. Пока величина этой силы не превышает значения kN, тело остается в покое и сила трения равна по величине и обратна по направлению приложенной силе. Затем начнется движение. Таким образом, $kN$ — это максимальная сила трения покоя.

Может показаться удивительным, но именно сила трения покоя разгоняет автомобиль. Ведь при движении автомобиля колеса не проскальзывают относительно дороги, и между шинами и поверхностью дороги возникает сила трения покоя. Как легко видеть (рис. 1,а), она направлена в сторону движения автомобиля. Величина этой силы не может превосходить значения $F_{тр}^{max}=kN.$ Поэтому если на скользкой дороге резко нажать на газ, то автомобиль начнет буксовать. А вот если нажать на тормоза, то вращение колес прекратится и автомобиль будет скользить по дороге. Сила трения изменит свое направление (рис. 1,б) и начнет тормозить автомобиль.

Сила трения при скольжении твердых тел зависит не только от свойств поверхностей и силы давления (это зависимость качественно такая же, как для трения покоя), но и от скорости движения. Часто с увеличением скорости сила трения сначала резко падает, а затем снова начинает возрастать (рис. 1,в).

Эта важная особенность силы трения скольжения как раз и объясняет, почему звучит скрипичная струна. Вначале между смычком и струной нет проскальзывания, и струна захватывается смычком (рис. 2). Когда сила трения покоя достигнет максимального значения, струна сорвется, и дальше она колеблется почти как свободная, затем снова захватывается смычком и т. д.

Подобные, но уже вредные колебания могут возникнуть при обработке металла на токарном станке вследствие трения между снимаемой стружкой и резцом (рис. 3). И если смычок натирают канифолью, чтобы сделать зависимость силы трения от скорости более резкой, то при обработке металла приходится действовать наоборот (выбирать специальную форму резца, смазку и т. п.). Так что важно знать законы, трения и уметь ими пользоваться.

Кроме сухого трения существует еще так называемое жидкое трение, возникающее при движении твердых тел в жидкостях и газах и связанное с их вязкостью. Силы жидкого трения пропорциональны скорости движения и обращаются в нуль, когда тело останавливается. Поэтому в жидкости можно заставить тело двигаться, прикладывая даже очень маленькую силу. Например, тяжелую баржу на воде человек может привести в движение, отталкиваясь от дна шестом, а на земле такой груз ему, конечно, не сдвинуть. Эта важная особенность сил жидкого трения объясняет, например, тот факт, почему автомобиль «заносит» на мокрой дороге. Трение становится жидким, и даже небольшие неровности дороги, создающие боковые силы, приводят к «заносу» автомобиля.