ТРЕНИЕ: ВИДЫ, КОЭФФИЦИЕНТ, РАСЧЕТ, УПРАЖНЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Трения является сопротивление движению поверхности , находящейся в контакте с другой. Это поверхностное явление, возникающее между твердыми, жидкими и газообразными материалами. Сила сопротивления, касательная к двум контактирующим поверхностям, которая противоположна направлению относительного смещения между упомянутыми поверхностями, также называется силой трения или силой трения F _r .

Чтобы переместить твердое тело на поверхность, необходимо приложить внешнюю силу, которая может преодолеть трение. Когда тело движется, сила трения действует на него, замедляя его и даже останавливая.

фрикционный

Сила трения может быть представлена ​​графически силовой диаграммой тела, контактирующего с поверхностью. На этой диаграмме сила трения F _r изображена напротив составляющей силы, приложенной к телу, касательной к поверхности.

Контактная поверхность оказывает на тело силу реакции, называемую нормальной силой N. В некоторых случаях нормальная сила возникает только из-за веса P тела, лежащего на поверхности, а в других случаях из-за приложенных сил, отличных от силы тяжести.

Трение возникает из-за микроскопических шероховатостей между соприкасающимися поверхностями. При попытке переместить одну поверхность по другой между шероховатостями возникает трение, которое препятствует свободному перемещению на границе раздела. В свою очередь, потери энергии происходят в виде тепла, которое не используется для перемещения тела.

Виды трения

Существует два основных типа трения: кулоновское трение или сухое трение и жидкостное трение.

-Кулоновское трение

Кулоновское трение всегда противостоит движению тел и подразделяется на два типа трения: статическое трение и кинетическое (или динамическое) трение.

При статическом трении тело не движется по поверхности. Приложенная сила очень мала и недостаточна для преодоления силы трения. Трение имеет максимальное значение, пропорциональное нормальной силе, и называется силой статического трения F _re .

Сила статического трения определяется как максимальная сила, которая сопротивляется началу движения тела. Когда приложенная сила превышает силу статического трения, она остается на своем максимальном значении.

Кинетическое трение действует, когда тело уже находится в движении. Сила, необходимая для поддержания движения тела с трением, называется кинетической силой трения F _rc .

Кинетическая сила трения меньше или равна силе статического трения, потому что, когда тело начинает двигаться, легче продолжать движение, чем пытаться сделать это в состоянии покоя.

Законы трения Кулона

1. Сила трения прямо пропорциональна силе, нормальной к контактной поверхности. Константа пропорциональности - это коэффициент трения μ, существующий между контактирующими поверхностями.
2. Сила трения не зависит от размера видимой области контакта между поверхностями.
3. Кинетическая сила трения не зависит от скорости скольжения тела.

-Жидкостное трение

Трение также возникает, когда тела движутся в контакте с жидкими или газообразными материалами. Этот тип трения называется трением жидкости и определяется как сопротивление движению тел, контактирующих с жидкостью.

Трение жидкости также относится к сопротивлению жидкости течению при контакте со слоями жидкости из того же или другого материала и зависит от скорости и вязкости жидкости. Вязкость - это мера сопротивления движению жидкости.

-Стягивает трение

Стоксовое трение - это тип трения жидкости, при котором сферические частицы, погруженные в вязкую жидкость в ламинарном потоке, испытывают силу трения, которая замедляет их движение из-за колебаний молекул жидкости.

Трение Стокса

Течение является ламинарным, когда силы вязкости, которые препятствуют движению жидкости, превышают силы инерции, и жидкость движется с достаточно малой скоростью и по прямолинейной траектории.

Коэффициенты трения

Согласно первому закону трения Кулона коэффициент трения μ получается из соотношения между силой трения и силой, нормальной к контактной поверхности.

Коэффициент μ - это безразмерная величина, поскольку это соотношение между двумя силами, которое зависит от природы и обработки контактирующих материалов. Обычно значение коэффициента трения находится в пределах от 0 до 1.

Статический коэффициент трения

Коэффициент статического трения - это константа пропорциональности, которая существует между силой, препятствующей движению тела в состоянии покоя на контактной поверхности, и силой, нормальной к поверхности.

Кинетический коэффициент трения

Коэффициент кинетического трения - это константа пропорциональности, которая существует между силой, ограничивающей движение тела, движущегося по поверхности, и силой, перпендикулярной поверхности.

Коэффициент трения покоя больше, чем коэффициент кинетического трения.

Коэффициент упругого трения

Коэффициент упругого трения получается из трения между контактными поверхностями упругих, мягких или грубых материалов, которые деформируются под действием приложенных сил. Трение противодействует относительному движению между двумя упругими поверхностями, и смещение сопровождается упругой деформацией поверхностных слоев материала.

Коэффициент трения, который получается в этих условиях, зависит от степени шероховатости поверхности, физических свойств контактирующих материалов и величины тангенциальной составляющей силы сдвига на границе раздела материалов.

Коэффициент молекулярного трения

Молекулярный коэффициент трения получается из силы, которая ограничивает движение частицы, скользящей по гладкой поверхности или через жидкость.

Как рассчитывается трение?

Сила трения на твердых поверхностях раздела рассчитывается по формуле F _r = μN

Подстановка уравнения веса в уравнение силы трения дает:

Характеристики нормального

Когда объект находится в покое на плоской поверхности, нормальная сила - это сила, действующая со стороны поверхности на тело, и она противодействует силе тяжести в соответствии с законом действия и противодействия Ньютона.

Нормальная сила всегда действует перпендикулярно поверхности. На наклонной поверхности нормаль уменьшается с увеличением угла наклона и направлена ​​в перпендикулярном направлении от поверхности, в то время как груз указывает вертикально вниз. Уравнение нормальной силы на наклонной поверхности:

θ = угол наклона контактной поверхности.

Наклонная плоскость трения

Составляющая силы, действующей на тело для скольжения, равна:

По мере увеличения приложенной силы она приближается к максимальному значению силы трения, это значение соответствует силе статического трения. Когда F = F _re , сила статического трения равна:

А коэффициент трения покоя получается тангенсом угла наклона θ.

Решенные упражнения

-Сила трения объекта, лежащего на горизонтальной поверхности

Коробку весом 15 кг, помещенную на горизонтальную поверхность, толкает человек, который прикладывает к поверхности силу 50 Ньютон, чтобы заставить ее двигаться, а затем прилагает силу 25 Н, чтобы коробка двигалась с постоянной скоростью. Определите коэффициенты статического и кинетического трения.

Коробка движется по горизонтальной поверхности

Решение: исходя из значения силы, приложенной для перемещения коробки, _{получается} коэффициент трения покоя μ _e .

Нормальная сила N к поверхности равна весу коробки, поэтому N = mg.

В этом случае μ _e = 50 New / 147 New

Сила, прилагаемая для поддержания постоянной скорости коробки, - это кинетическая сила трения, равная 25New.

Коэффициент кинетического трения получается из уравнения μ _c = F _rc / N

-Сила трения объекта под действием силы с углом наклона

Мужчина прикладывает силу к коробке весом 20 кг с углом приложения 30 ° по отношению к поверхности, на которой она лежит. Какова величина силы, применяемой для перемещения коробки, если коэффициент трения между коробкой и поверхностью равен 0,5?

Решение: диаграмма свободного тела представляет приложенную силу и ее вертикальные и горизонтальные составляющие.

Диаграмма свободного тела

Приложенная сила составляет угол 30 ° с горизонтальной поверхностью. Вертикальный компонент силы добавляется к нормальной силе, влияющей на силу статического трения. Коробка перемещается, когда горизонтальная составляющая приложенной силы превышает максимальное значение силы трения F _re . Приравнивание горизонтальной составляющей силы к статической составляющей трения дает:

нормальная сила

Нормальная сила больше не является весом тела из-за вертикальной составляющей силы.

Согласно второму закону Ньютона, сумма сил, действующих на ящик на вертикальной оси, равна нулю, поэтому вертикальная составляющая ускорения равна _y = 0. Нормальная сила получается из суммы

Подставляя уравнение в уравнение, получаем следующее:

-Трение в движущемся автомобиле

Автомобиль весом 1,5 тонны движется по прямой и горизонтальной дороге со скоростью 70 км / ч. На некотором расстоянии водитель видит на дороге препятствия, которые вынуждают его резко тормозить. После торможения автомобиль ненадолго заносит, пока не остановится. Если коэффициент трения между шинами и дорогой равен 0,7; определить следующее:

1. Какова величина трения при заносе автомобиля?
2. Замедление автомобиля
3. Расстояние, пройденное автомобилем от момента торможения до момента остановки.

Сила трения автомобиля при заносе составляет:

= 10290 Новое

Раздел б

Сила трения влияет на замедление транспортного средства при заносе.

Применяя второй закон Ньютона, значение замедления получается путем решения уравнения F = ma

Раздел c

Начальная скорость автомобиля v ₀ = 70 км / ч = 19,44 м / с.

Когда автомобиль останавливается, его конечная скорость v _f = 0, а замедление a = - 6,86 м / с ^2.

Расстояние, пройденное транспортным средством от момента торможения до момента остановки, определяется путем решения для d из следующего уравнения:

Перед остановкой автомобиль преодолевает расстояние 27,54 м.

1. Расчеты коэффициента трения в условиях упругого контакта. Михин Н. М. 2, 1968, Советское материаловедение, т. 4, с. 149-152.
2. Блау, П. Дж. Наука и технология трения. Флорида, США: CRC Press, 2009.
3. Связь между силами сцепления и трения. Исраэлашвили, Дж. Н., Чен, Ю-Лунг и Йошизава, Х. 11, 1994, Журнал адгезии и технологии, том 8, стр. 1231-1249.
4. Зимба, Дж. Сила и движение. Балтимор, Мэриленд: Издательство Университета Джона Хопкинса, 2009.
5. Бхушан, Б. Принципы и приложения трибологии. Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья, 1999.
6. Шарма К.С. и Пурохит К. Теория механизмов и машин. Нью-Дели: Prentice Hall of India, 2006.