Силы трения

Силы трения – силы, которые препятствует скольжению соприкасающихся тел друг относительно друга.

Силы трения зависят от относительных скоростей тел. В результате действия сил трения их механическая энергия всегда превращается во внутреннюю энергию соприкасающихся тел.

Различают внешнее (сухое) и внутреннее (жидкое или вязкое) трение. Внешним трением называется трение, возникающее в плоскости касания двух соприкасающихся тел при их относительном перемещении.

Силами сухого трения называют силы, возникающие при соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки. Они всегда направлены по касательной к соприкасающимся поверхностям.

Если соприкасающиеся тела неподвижны друг относительно друга, говорят о трении покоя, если же происходит относительное перемещение этих тел, то в зависимости от характера их относительного движения говорят о трении скольжения, качения или верчения. Сила трения покоя всегда равна по величине внешней силе и направлена в противоположную сторону (рис. 4.1.).

 

 

Сила трения покоя (υ = 0).

Внутренним трением называется трение между частями одного и того же тела, например между различными слоями жидкости или газа, скорости которых меняются от слоя к слою.

Рассмотрим лежащее на плоскости тело (рис. 4.2), к которому приложена горизонтальная сила F. Тело придёт в движение лишь тогда, когда приложенная сила F будет больше силы трения F_тр. Отсюда следует закон: сила трения F_тр пропорциональна силе N нормального действия, с которой одно тело действует на другое:

где f – коэффициент трения скольжения.

Если тело находится на наклонной плоскости с углом наклона a, то оно приходит в движение, только когда тангенциальная составляющая F силы тяжести P больше силы трения F_тр. Следовательно:

откуда

Таким образом, коэффициент трения равен тангенсу угла a_о, при котором начинается скольжение тела по наклонной плоскости.

Для гладких поверхностей определенную роль начинает играть межмолекулярное притяжение. Для них применяется закон трения скольжения

где p_o — добавочное давление, обусловленное силами межмолекулярного притяжения, которые быстро уменьшаются с увеличением расстояния между частицами; S — площадь контакта между телами; f _ист — истинный коэффициент трения скольжения.

В некоторых случаях силы трения оказывают вредное действие и поэтому их надо уменьшать. Для этого на трущиеся поверхности наносят смазку (сила трения уменьшается примерно в 10 раз), которая заполняет неровности между этими поверхностями и располагается тонким слоем между ними так, что поверхности как бы перестают касаться друг друга, а скользят друг относительно друга отдельные слои жидкости. Таким образом, внешнее трение твердых тел заменяется значительно меньшим внутренним трением жидкости.

Радикальным способом уменьшения силы трения является замена трения скольжения трением качения (шариковые н роликовые подшипники и т. д.). Сила трения качения определяется по закону, установленному Кулоном:

(4.1)

где r — радиус катящегося тела; f _к — коэффициент трения качения.

Из (4.1) следует, что сила трения качения обратно пропорциональна радиусу катящегося тела.

§ 5. Закон сохранения импульса

Силы взаимодействия между материальными точками механической системы называются внутренними. Силы, с которыми на материальные точки системы действуют внешние тела, называются внешними.

Рассмотрим механическую систему, состоящую из n тел, масса и скорость которых соответственно равны т ₁, т ₂..., т _n и u₁, u₂..., u_n. Пусть F' ₁, F' ₂,..., F'_n — равнодействующие внутренних сил, действующих на каждое из этих тел, a, F ₁, F ₂..., F_n — равнодействующие внешних сил. Запишем второй закон Ньютона для каждого из n тел механической системы:

, ,………………

,

Складывая почленно эти уравнения, получаем:

Но так как геометрическая сумма внутренних сил механической системы по третьему закону Ньютона равна нулю, то:

или

(5.1)

где — импульс системы. Таким образом, производная по времени от импульса механической системы равна геометрической сумме внешних сил, действующих на систему:

, т.е.,

Последнее выражение и является законом сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени.