Перед вами брусок, находящийся на опоре.
На него сейчас действуют следующие силы: сила тяжести, которая приложена к центру тяжести и направлена вниз, и сила упругости со стороны опоры. Силу тяжести, как и прежде, обозначим Fтяж. А силу упругости, в данном случае, принято обозначать большой буквой N и называть силой реакции опоры.
N – это сокращение от слова «нормаль», что означает перпендикуляр. Сила реакции опоры перпендикулярна поверхности, на которой находится тело, и нижней границе самого тела.
Брусок находится в состоянии покоя. Значит, равнодействующая силы тяжести и силы реакции опоры равна нулю, поэтому их можно не учитывать в нашем дальнейшем опыте.
Потянем брусок вправо.
Силу, с которой тянем, обозначим буквой F. Начнём тянуть с очень маленькой силой, например 0,1 H. Брусок остаётся на месте. Начнём по чуть-чуть увеличивать силу. Брусок всё так же остаётся на месте. Это значит, что есть сила, которая не даёт бруску сдвинуться. Так как скорость бруска не изменяется, значит, равнодействующая этих двух сил равна нулю. Если равнодействующая равна нулю, значит, эта сила направлена в противоположную сторону от силы, с которой мы тянем брусок, и равна ей по модулю. Приложена она к границе между телом и опорой. Называется эта сила силой трения и обозначается Fтр.
Её определение следующее. Сила трения – это сила, возникающая при соприкосновении поверхностей тел, и направленная так, чтобы препятствовать их относительному движению.
Сила трения зависит от силы, которая стремится сдвинуть тело. Эту зависимость хорошо иллюстрирует следующий график.
По горизонтали отложена величина силы, которая стремится сдвинуть брусок. В нашем случае она обозначается просто буквой F. По вертикали отложена величина силы трения.
Когда брусок тянули с силой 0,1 Н, он оставался на месте. Это говорит о том, сила трения уравновешивала силу тяги, а это значит, она также равнялась 0,1 Н.
Когда приложили силу 0,2 Н, брусок всё так же оставался на месте. Это говорит о том, что сила трения тоже увеличилась до 0,2 Н и компенсирует силу тяги.
При 0,3 и 0,4 Н брусок тоже оставался на месте, а при 0,5 Н он пришёл в движение. Он скользил по поверхности опоры. Его скорость при этом не менялась, то есть оставалась постоянной. Это значит, что сила трения всё также компенсировала силу тяги. То есть они всё также равны.
Если приложить силу больше 0,5 Н, брусок будет двигаться с ускорением. Это значит, что равнодействующая сил уже не равна нулю. Сила тяги больше, чем сила трения.
При дальнейшем увеличении силы тяги, сила трения остаётся на том же уровне. В нашем примере это 0,5 Н.
В левой части графика показана ситуация, когда внешняя сила уравновешена силой трения и тело находится в покое. Этот диапазон значений, соответствует трению покоя.
Когда прикладывается сила 0,5 Н или более, начинается скольжение.
Правая часть графика показывает ситуацию, когда тело скользит по поверхности. Она соответствует трению скольжения.
Причём когда, в нашем случае, сила больше 0,5 Н, тело двигается с ускорением.
В итоге получается, что сила трения покоя может меняться от нуля, до какого-то максимального значения. Это значение приблизительно равно значению силы трения скольжения.
Его можно изменить.
Если мы поместим на брусок дополнительный груз и потянем брусок, постепенно увеличивая силу, мы увидим, что при 0,5 Н он остаётся на месте. При 0,6; 0,7 и 0,8 Н он всё также не двигается. А, например, при 0,9 Н начинает движение.
На графике это отобразится следующим образом.
Линия 1 соответствует бруску без груза, а линия 2 соответствует бруску с грузом.
Поместив груз на брусок, мы увеличили вес тела, действующий на опору. При увеличении веса сила реакции опоры увеличилась на ту же величину. Вследствие этого максимальное значение силы трения покоя также увеличилось.
Если уменьшить вес бруска, то будет противоположный результат — сила реакции опоры уменьшится и, как следствие, максимальное значение силы трения покоя также уменьшится. Допустим, в нашем случае оно уменьшится до 0,3 Н, тогда эту ситуацию на графике отображает линия 3.
При изменении веса, отношение силы трения к силе реакции опоры остаётся неизменным. Это значит, что сила трения прямо пропорциональна силе реакции опоры. В данном случае, под силой трения будем подразумевать максимальную силу трения покоя или силу трения скольжения.
Теперь введём коэффициент, который превратит пропорциональность в равенство. Он обозначается буквой мю и называется коэффициент трения.
Мю – это величина отношения максимальной силы трения покоя или силы трения скольжения к силе реакции опоры.
Коэффициент трения – безразмерная величина, просто число, так как обе силы измеряются в Ньютонах и, при делении, Ньютоны сокращаются.
Коэффициент трения не зависит от силы нормального давления. Он зависит от материалов, контактирующих при трении.
Эта формула выражает закон Амонтона–Кулона:
Следует обратить внимание на то, что сила трения скольжения всегда направлена в сторону, противоположную направлению скорости.
Ведь на тело может перестать действовать внешняя сила, но оно будет продолжать двигаться по инерции. При этом его будет тормозить сила трения, направленная против его движения.
Теперь вернёмся к максимальному значению силы трения покоя, чтобы прояснить один нюанс.
На самом деле оно чуть-чуть больше силы трения скольжения. После того момента, как тело приходит в движение, сила трения чуть – чуть уменьшается. Если приблизить эту точку перехода на графике, то можно увидеть, что она отображается как крохотный зубец. Это называется явлением застоя.
Разница между максимальным значением силы трения покоя и значением силы трения скольжения достаточно мала, поэтому при решении многих задач она не учитывается, и данные силы считаются равными.
Теперь коснёмся причин возникновения трения. Их 2. Первая заключается в шероховатости поверхностей соприкасающихся тел. Даже гладкие на вид поверхности имеют неровности, бугорки и царапины. Когда тело скользит или катится по поверхности другого тела, эти неровности зацепляются друг за друга, что задерживает движение.
По этой же причине, при трении происходит износ поверхностей. Когда эти микроскопические зубчики зацепляются друг за друга, они обламываются и поверхность постепенно разрушается.
Вторая причина трения – это взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел.
Когда поверхности отполированы, часть их молекул располагается так близко друг к другу, что между ними начинают действовать силы взаимного притяжения.
Силу трения можно уменьшить во много раз, если ввести между трущимися поверхностями смазку. Слой смазки мешает поверхностям соприкасаться. Получается, что соприкасаются не поверхности тел, а слои смазки. Смазка в большинстве случаев жидкая, а сила трения слоёв жидкости гораздо меньше, чем сила трения твёрдых поверхностей.