Трение
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.
В XVIII в. французский физик Кулон открыл закон, согласно которому сила трения [math]F_{тр}[/math] между твердыми телами не зависит от площади соприкосновения, а пропорциональна силе [math]N,[/math] сдавливающей тела:
[math]F_{тр}=kN.[/math]
Коэффициент трения [math]k[/math] зависит только от свойств трущихся поверхностей и обычно лежит в пределах от [math]0,5[/math] до [math]0,15.[/math] 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 [math]10[/math]–[math]100[/math] 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 [math]P_0,[/math] при котором деформация прекращается. Поэтому площадь фактического контакта S′ оказывается пропорциональной сжимающей силе: [math]P_0S′=N.[/math]
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.
<addc>l</addc>
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, [math]kN[/math] — 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 [math]F_{тр}^{max}=kN.[/math] 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.
