Розділ ІІІ Взаємодія тіл. Сила
& 25. СИЛИ ТЕРТЯ. КОЕФІЦІЄНТ ТЕРТЯ КОВЗАННЯ
Тертя в природі й техніці
Явище тертя відіграє важливу роль в нашому повсякденному житті, в природі і техніці. Зверніть увагу, як важко іти чи їхати на автомобілі в ожеледицю, тобто коли сила тертя незначна. Якби зникло тертя, ми не могли б всидіти на стільці, а цвяхи не трималися б в стіні. Збільшення сили тертя буває життєво необхідним (мал. 25.1).
Так само важливо в багатьох випадках зменши ти тертя. Кулькові підшипники зменшують тертя в осях багатьох деталей
Мал. 25.1. Надійність гальмування залежить від сили тертя
Дослід 25.1
Покладемо на книгу, що лежить на столі, коробку сірників. Почнемо піднімати один кінець книги, збільшуючи кут нахилу (мал. 25.1). До деякого часу коробка буде нерухомою, але при певному куті нахилу вона почне зісковзувати вниз.
Приведений дослід викликає принаймні два запитання:
А) чому коробка не ковзає при малих кутах та б) чому коробка при більших кутах починає ковзати?
Одна з причин виникнення сили тертя – це шершавість
Мал. 25.2. Кульковий підшипник
Тертя ковзання
Тертя, що виникає при ковзанні тіла, називають тертям ковзання. Нескладні досліди, показують, що сила тертя ковзання Fтр, прямо пропорційна величині сили реакції опори N. Вектор сили тертя ковзання напрямлений паралельно площині дотику в бік, протилежний до напрямку руху.
Fтp = µ ∙ N, (25.1)
Де µ (мю) – коефіцієнт пропорційності, який залежить від матеріалу поверхонь (табл. 25.1) і ступеня їх гладкості.
Коефіцієнт тертя ковзання р можна визначити як відношення сили тертя ковзання до величини сили реакції опори:
µ = 
. (25.2)
Мал. 25.3. Сила тертя спокою не дає коробці зісковзнути
Величина коефіцієнту тертя залежить від матеріалу ковзаючих поверхонь і рельєфу поверхні. Коефіцієнт тертя є безрозмірною величиною.
Сила тертя ковзання дуже слабо залежить від площі дотику ковзаючих поверхонь тіл і швидкості руху.
Коли тіло рухають по горизонтальній поверхні, сила реакції опори чисельно дорівнює силі тяжіння Ртяж і вазі тіла Р. В такому випадку можна записати формулу для розрахунку сили тертя ковзання так:
Fтp=µ ∙ P = µ ∙ mg (25.3)
Мал. 25.4. Одна з причин тертя – нерівності поверхонь
Таблиця 25.1.
Коефіцієнти тертя
Матеріали | |
Дерево по дереву | 0,25 |
Сталь по сталі | 0,20 |
Гума по бетону | 0,75 |
Сталь по льоду | 0,05 |
Сталь по сталі, змащені мастилом | 0,05 |
Тертя спокою
Коли деяка паралельна до поверхні сила тяги F безрезультатно намагається зрушити тіло з місця (мал. 25.6), то зрозуміло, що ця сила зрівноважена якоюсь іншою силою, яка за величиною точно дорівнює прикладеній силі і протилежна їй за напрямом. Цю силу називають силою тертя спокою.
Тертя спокою – це та сила, яка примушує автомобіль рухатися і повертати. Завдяки цій силі ми ходимо. Сила, з якою шина ведучого колеса автомобіля в місці дотику з дорогою діє на поверхню дороги, спрямована назад. Ця сила викликає появу сили тертя спокою, що діє на колесо вперед, створюючи силу тяги автомобіля (мал. 25.7).
Подібне явище має місце і при ходьбі.
Мал. 25.5. Тертя ковзання
Мал. 25.6. Сила тертя спокою дорівнює силі, яка намагається рухати тіло
Тертя кочення
Тертя, яке діє на колесо, що котиться, називають тертям кочення. Воно значно менше від тертя ковзання, тому майже всі види наземного транспорту мають колеса, а вісі механізмів встановлені на кулькові підшипники. Тертя кочення тим менше, чим більший радіус колеса і чим твердіші поверхні колеса й дороги. Воно також пропорційне силі реакції поверхні та залежить від матеріалу обох поверхонь.
Дослід 25.2
Покладіть круглий олівець на нахилену поверхню спочатку вздовж, а відтак упоперек неї (мал. 25.8). Переконайтеся, що скочуватись він починає при значно менших кутах, аніж ковзати.
Мал. 25.7. Тертя спокою штовхає ведуче колесо
Тема для дослідження
25.1. Встановіть, як зміниться сила тертя ковзання, якщо поверхню покрити пилюкою або дрібним порошком (використайте пудру, настругану з крейди чи грифеля олівця). Спробуйте висловити певні гіпотези відносно причин впливу пилюки на величину сили тертя.
Мал. 25.8. До досліду 25.2.
В’язке тертя
При русі в рідині або в газі виникає в’язке тертя, яке значно менше навіть за тертя кочення. Існують спеціальні транспортні засоби на “повітряній подушці”, що “літають” над землею або поверхнею води. Прикладом можуть бути швидкісні пароми та деякі види військових десантних катерів. Проходять випробування поїзди на “магнітній подушці”, які утримуються в повітрі силами магнітного поля (мал. 25.9). За своєю швидкохідністю вони наближаються до літаків. Важлива особливість, що суттєво вирізняє в’язке тертя, полягає в тому, що у нього а) немає тертя спокою, б) величина в’язкого тертя зростає зі збільшенням швидкості руху.
Деталі машин, що труться, змащують мастилами, щоб зробити тертя в’язким і зменшити втрати енергії.
Мал. 25.9. Сила в’язкого тертя виникає при русі в рідині чи газі
Підведемо підсумки
– Сила тертя ковзання прямо пропорційна величині сили реакції опори Fтр = µ ∙ N.
– Вектор сили тертя ковзання напрямлений паралельно площині дотику в бік, протилежний до напрямку руху.
– Сила тертя спокою дорівнює і протилежна тій силі, яка не може зрушити тіло з місця.
– Тертя кочення набагато менше за тертя ковзання.
– В’язке тертя виникає при русі в рідині або газі. Не існує в’язкого тертя спокою.
Вправа 25
1. В яких випадках потрібно: а) збільшити, б) зменшити тертя?
2. Перелічіть відомі вам види тертя.
3. Чому в машинах так широко використовують кулькові підшипники?
4. Чому мастильні матеріали значно зменшують тертя?
5. Від чого залежить величина коефіцієнту тертя ковзання?
6. Як залежить сила тертя ковзання від ваги тіла?
7. Чому ковзанярі й велосипедисти вдягають костюми з дуже “гладкої” тканини?
8. Чому риби “слизькі”?
9. В яких випадках сила тертя співпадає з напрямом швидкості?
10. Чому колеса автомобіля пробуксовують, коли він рушає з місця під час ожеледиці?
11. В яких межах може змінюватися сила тертя спокою?
12. Чому на слизькій дорозі небезпечно робити різкий поворот на автомобілі?
13. Чому колеса залізничних вагонів чавунні, а рейки – стальні?
14. Чому у всюдиходів і колісних тракторів великі колеса?
15. На столику у вагоні поїзда лежать книга та яблуко. Чому, коли поїзд рушив з місця, книга залишилася нерухомою, а яблуко покотилося назад?
16. Чому людина не може зрушити з місця залізничний вагон, але зрушить човен такої ж маси?
17. У скільки разів зменшиться сила тертя між стальними деталями після змащування мастилом?
18. Яку силу потрібно прикласти до санок масою 80 кг, щоб зрушити їх з місця на льодяній поверхні? g = 10 H/кг
19. Яка сила тертя виникне, якщо 10-ти тонна вантажівка різко загальмує?
20. Який різновид сили тертя (мал. 25.10) а) втримує на повороті спортсмена на роликових ковзанах? б) Заважає йому рухатися?
21. Дерев’яний брусок масою 0,2 кг рівномірно тягнуть по горизонтальній дерев’яній поверхні за допомогою динамометра. Знайдіть видовження пружини (в см), коефіцієнт жорсткості якої 100 Н/м. g = 10 Н/кг
Мал. 23.10. До задачі 13
(1 votes, average: 5,00 out of 5)