Зачем нам трение?

Вам уже известно, что в окружающем нас мире огромное количество различных тел непрерывно совершают механические движения. Движение может быть прямолинейным и криволинейным, равномерным и неравномерным.

Но самое «любимое» состояние окружающих нас тел — это состояние покоя. В таком состоянии тела могут находиться так долго, пока другие тела не нарушат их покой.

А давайте проведём простой опыт. Вот на столе лежит стальной шарик. Он покоится относительно стола. Как заставить шарик двигаться? Да, можно толкнуть его рукой. А можно приблизить к нему магнит. В обоих случаях на шарик действуют другие тела (рука или магнит), что и является причиной изменения скорости движения шарика.

А почему шарик через некоторое время останавливается?

Для получения ответа проведём другой опыт. Возьмём три одинаковых шарика и будем одновременно скатывать их с одинаковой высоты. Одну дорожку, по которым затем движутся шарики, посыплем песком, вторую — накроем тканью, а третья дорожка пусть будет стеклянной. Движение по третьей дорожке продолжается дольше, поскольку трение здесь наименьшее. Значит, причины прекращения движения шарика — трение между поверхностями шарика и стола и, конечно, сопротивление воздуха.

В нашем мире все тела взаимодействуют между собой. Некоторые взаимодействия так сильны, что вызывают заметные изменения состояний взаимодействующих тел.

Физическая величина, с помощью которой можно количественно определить, насколько сильно одно тело действует на другое, называется силой.

В приведённом примере результатом действия является изменение скорости. Значит, сила — причина изменения скорости движения тела.

Однако действие одного тела на другое приводит не только к изменению скорости. Соединим зафиксированную нитью пружину с гирей. А теперь перережем нить. Как видим, под действием гири пружина удлинилась. А если поставить гирю на тонкую досточку, то она вызовет прогибание последней. В этих случаях действие одного тела на другое вызывает изменение размеров или формы тела, то есть их деформацию.

Значит, сила является причиной не только изменения скорости, но и деформации тела. При этом чем больше сила, тем большую деформацию она вызывает.

Важно запомнить, что сила не может существовать сама по себе. Если мы говорим, что на тело действует сила, это означает то, что на тело действует другое тело.

Обычно силу обозначают большой латинской буквой F и изображают в виде стрелки. Направление этой стрелки указывает направление действия силы. А начало стрелки совпадает с точкой приложения силы. Абсолютное число, выражающее длину стрелки, называют модулем силы.

Таким образом, сила характеризуется модулем, направлением и точкой приложения.

А теперь давайте посмотрим на вот эту демонстрацию. У нас есть две одинаковые пружины, на которые действуют две одинаковые гири. Но одна пружина растягивается под действием гири, а другая — сжимается. При этом модули действующих на пружины сил одинаковы, но направления у сил разные.

Или вот ещё пример. На столе лежат арбуз и киви. Они действуют на крышку стола с одинаково направленными, но имеющими разные модули силами. Эти силы приложены к крышке стола и направлены вертикально вниз.

В СИ основной единицей силы является один 1 ньютон (1 Н). Названа она так в честь великого английского учёного Исаака Ньютона, открывшего один из главных законов природы — закон всемирного тяготения.

Исследования показали, что один ньютон — это сила, с которой Земля притягивает к себе тело массой 102 г.

Конечно же есть кратные и дольные единицы силы:

1 кН = 1000 Н, 1 мН = 0,001 Н.

Для измерения силы используют прибор, который называется динамометр. Динамометры бывают различных типов и размеров. Это зависит от того, для измерения каких сил они предназначены. На уроках физики часто используют пружинный динамометр. Он представляет собой пружинку с указателем и шкалу. А для демонстраций учителя часто используют динамометр с реечной передачей. Он позволяет измерять не только силу, направленную вниз, но и вверх.

Чаще всего тело испытывает не одно, а сразу два или более действий, причём иногда противоположного направления. И если модули противоположно направленных сил равны, то, как и в математике при сложении равных по модулю, но противоположных по знаку чисел, мы получим в результате ноль. Такие силы мы будем называть компенсирующими друг друга. В этом случае, как и при отсутствии сил, скорость движения тела изменяться не будет.

А теперь представим такую ситуацию. Вы с другом перевозите на тележке груз. При этом один из вас тянет тележку, прикладывая силу 70 Н, а другой толкает её, действуя с силой 60 Н. Какова сила, которая двигает тележку?

Правильно, эта сила равна:

R = F₁ + F₂ = 70 Н + 60 Н = 130 Н.

А изменилось бы движение тележки, если бы её тянул один человек, прикладывая силу 130 Н? Конечно нет. Эффект был бы таким же.

Сила, которая оказывает на тело такое же действие, как несколько одновременно действующих на него сил, называется равнодействующей этих сил. Чаще всего её обозначают латинской буквой R.

Как показали многочисленные опыты, модуль равнодействующей сил, действующих на тело в одном направлении по одной прямой, равен сумме модулей этих сил. Направление равнодействующей такое же, как и отдельных сил.

А вот если силы действуют в противоположных направлениях, то модуль их равнодействующей будет равен разности модулей двух приложенных сил. А сама равнодействующая будет направлена в сторону большей силы.

Но давайте мы с вами вернёмся к нашему опыту с тремя шариками. Напомните, почему шарики останавливаются? Правильно, причиной их остановки является трение.

А кто знает, что такое трение? Кто сказал, что это когда тела трутся друг о друга? Молодец!

Силой трения называют силу, возникающую при соприкосновении двух тел и препятствующую их относительному перемещению. Она приложена к телам вдоль поверхности соприкосновения.

Почему возникает сила трения? Ответим на вопрос с помощью опыта. Будем равномерно перемещать брусок сначала по шероховатой, затем по обработанной поверхности. Не трудно увидеть, что сила тяги будет больше при движении по шероховатой поверхности. Значит, и модуль равной ей силы трения будет тем больше, чем более шероховатой или неровной окажется поверхность. При движении неровности цепляются друг за друга, деформируются, разрушаются. Это и создаёт препятствия движению.

— Значит, если обработать поверхности так, чтобы они стали идеально гладкими, то сила трения не возникнет?

Не спешите ответить «да». При хорошо отполированных поверхностях расстояние между поверхностями тел или их участками очень малое. При движении тел станут существенными силы притяжения молекул поверхности одного тела к молекулам поверхности другого. И теперь уже эти силы будут тормозить движение тел.

Значит, шероховатость поверхностей и силы притяжения между молекулами соприкасающихся поверхностей — причины возникновения сил трения.

Трение между поверхностями двух соприкасающихся твёрдых тел называется сухим трением.

А трение между поверхностью твёрдого тела и окружающей его жидкой или газообразной средой, в которой тело движется, называется? Нет, не жидким — вязким трением.

Также принято различать три вида сухого трения: трение покоя, трение скольжения и трение качения.

Сила трения покоя возникает между неподвижными твёрдыми телами, когда есть силы, действующие в направлении возможного движения тела. Проще говоря, трение покоя препятствует началу движения тела. Именно благодаря этой силе шкаф, кровать, стол и компьютер на нём остаются на своих местах.

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. Тоже самое мы можем сказать и о движении автомобиля по дороге.

Если же соприкасающиеся тела движутся руг относительно друга, то между ними возникает сила трения скольжения. Она направлена в сторону, противоположную движению.

А теперь посмотрим, от чего же зависит сила трения скольжения (кроме, как шероховатости поверхностей и сил притяжения между молекулами). Для это проведём парочку опытов.

Для начала возьмём деревянный брусок и будем равномерно его двигать по различным поверхностям, например, по металлу, дереву и резине, качество обработки поверхностей которых практически одинаковы. Не трудно заметить, что наш динамометр показывает различную силу тяги. Следовательно, и силы трения будут различными. Наибольшая сила трения возникнет при движении по поверхности резины. Не случайно подошвы в спортивной обуви делают резиновыми и рельефными.

Отсюда мы можем сделать вывод: сила трения скольжения зависит от материалов, из которых изготовлены соприкасающиеся поверхности.

Теперь давайте поставим на брусок гирю и сравним силы трения при равномерном движении ненагруженного бруска и бруска с гирей. Хорошо видно, что во втором случае сила тяги, а значит, и сила трения больше. Следовательно, сила трения тем больше, чем больше сила, прижимающая тело (в нашем случае — это брусок) к поверхности.

Однако, как показывают опыты, сила трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

Не зависит она и от положения тел друг относительно друга. То есть сила трения будет одинакова, например, в случае, когда мы брусок равномерно протянем по доске, или доску равномерно протянем по бруску.

— А можно ли как-то уменьшить трение?

Первый — заменить трение скольжения трением качения. Давайте проведём такой опыт. Будем равномерно передвигать металлическую тележку по столу скольжением и качением.

Как видим, сила трения во втором случае значительно меньше, хотя материал поверхностей и прижимающая сила не изменяются. Значит, трение качения меньше трения скольжения. Об этом ещё тысячи лет узнали люди. Они обнаружили, что передвигать тяжёлые грузы проще на катках, чем тащить их волоком.

Второй путь уменьшения трения скольжения — это смазывание трущихся поверхностей. Смазка (например, масло) заполняет все неровности трущихся поверхностей и располагается тонким слоем между ними так, что поверхности перестают касаться друг друга. При этом сухое трение заменяется трением слоёв жидкости, то есть вязким трением. А оно в 8—10 раз меньше трения скольжения.

Как мы упоминали ранее, воздух и вода также могут препятствовать движению. Сила, которая при этом возникает, называется силой вязкого трения или силой сопротивления. И чем быстрее движется тело, тем больше сопротивление оказывает на него среда, в которой оно движется.

Для уменьшения сопротивления форму быстро движущегося тела делают обтекаемой. Например, форма автомобиля позволяет воздушному потоку свободно обтекать его поверхность. А форма кораблей и подводных лодок вообще позаимствована у морских обитателей. Вы только посмотрите на эту акулу-мако (75 км/ч), или желтопёрого тунца (80 км/ч). А самой быстрой рыбой на планете является парусник. Благодаря длинному копьеобразному носу и обтекаемой формы тела он может развивать скорость до 109 километров в час.

Кстати, в космическом пространстве нет воздуха и поэтому нет трения, замедляющего скорость тел. Именно поэтому космические аппараты имеют самые разнообразные формы (даже форму машины).