Силы внешнего трения: покоя, скольжения и качения.

Сила трения покоя

Трение покоя - трение, возникающее при отсутствии относительного перемещения соприкасающихся тел.

Рассмотрим взаимодействие бруска с поверхностью стола.

Поверхность соприкасающихся тел не является абсолютно ровной.

Наибольшая сила притяжения возникает между атомами веществ, находящимися на минимальном расстоянии друг от друга, т.е. на микроскопических выступах. Суммарная сила притяжения атомов соприкасающихся тел столь значительна, что даже под действием внешней силы F, приложенной к бруску параллельно поверхности его соприкосновения со столом, брусок остается в покое. Это означает, что на брусок действует сила, равная по модулю внешней силе, но противоположно направленная. Эта сила является силой трения покоя.

Сила трения покоя-сила трения, препятствующая возникновению движения одного тела по поверхности другого:

Когда приложенная сила достигает максимального критического значения (F_тр.п)_max достаточного для разрыва связей между выступами, брусок начинает скользить по столу. Естественно предположить, что (F_тр.п)_max пропорциональна числу n взаимдействующих выступов и давлению p бруска на стол:

(F_тр.п)_max~np.

Давление равно отношению силы нормального давления, действующей перпендикулярно поверхности соприкосновения тел, к площади поверхности S:

p=F/S

Число взаимодействующих выступов пропорционально площади поверхности соприкосновения тел: n~S, поэтому

(F_тр.п)_max~S*F/S~F₊.

Максимальная сила трения покоя не зависит от площади поверхности соприкосновения поверхностей.

По третьему закону Ньютона сила нормального давления равна по модулю силе нормальной реакции опоры N. Максимальная сила трения покоя (F_тр.п)_max пропорциональна силе нормального давления:

(F_тр.п)_max=m_пN

где m_п-коэффициент трения покоя.

Коэффициент трения покоя зависит от характера обработки поверхности и от сочетания материалов, из которых состоят соприкасающиеся тела. Качественная обработка гладких поверхностей контакта приводит к увеличению числа притягивающихся атомов и соответственно к увеличению коэффициента трения покоя. Силы притяжения отдельных атомов различных веществ существенно зависят от их электрических свойств.

Сила трения скольжения — силы, возникающие между соприкасающимися телами при их относительном движении. Если между телами отсутствует жидкая или газообразная прослойка (смазка), то такое трение называется сухим. В противном случае, трение называется «жидким». Характерной отличительной чертой сухого трения является наличие трения покоя.

Опытным путём установлено, что сила трения зависит от силы давления тел друг на друга (силы реакции опоры), от материалов трущихся поверхностей, от скорости относительного движения и не зависит от площади соприкосновения. (Это можно объяснить тем, что никакое тело не является абсолютно ровным. Поэтому истинная площадь соприкосновения гораздо меньше наблюдаемой. Кроме того, увеличивая площадь, мы уменьшаем удельное давление тел друг на друга.) Величина, характеризующая трущиеся поверхности, называется коэффициентом трения, и обозначается чаще всего латинской буквой «k» или греческой буквой «μ». Она зависит от природы и качества обработки трущихся поверхностей. Кроме того, коэффициент трения зависит от скорости. Впрочем, чаще всего эта зависимость выражена слабо, и если большая точность измерений не требуется, то «k» можно считать постоянным.

величина силы трения скольжения может быть рассчитана по формуле:

, где

— коэффициент трения скольжения,

— сила нормальной реакции опоры.

Сила трения качения - сила трения, возникающая при качении одного тела по поверхности другого тела

тре́ние каче́ния — сопротивление движению, возникающее при перекатывании тел друг по другу. Проявляется, например, между элементами подшипников качения, между шиной колеса автомобиля и дорожным полотном. В большинстве случаев величина трения качения гораздо меньше величины трения скольжения при прочих равных условиях, и потому качение является распространенным видом движения в технике.

Трение качения возникает на границе двух тел, и поэтому оно классифицируется как вид внешнего трения.

где

— сила трения качения;

f — коэффициент трения качения, имеющий размерность длины (следует отметить важное отличие от коэффициента трения скольжения, который безразмерен);

R — радиус катящегося тела;

N — прижимающая сила.