Силы трения.

Трение подразделяется на внешнее и внутреннее. Внешнее трение возникает при относительном перемещении двух соприкасающихся твердых тел (трение скольжения) или при попытках вызвать такое перемещение (трение покоя). Внутреннее трение наблюдается при относительном перемещении частей одного и того же сплошного тела (например, жидкости или газа).

Различают также сухое и жидкое (или вязкое) трение. Сухое трение возникает между поверхностями твердых тел в отсутствии смазки (т.е. жидкой или газообразной прослойки) между ними. Жидким называется трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой, а также между слоями такой среды.

Сухое трение подразделяется на трение скольжения и трения качения.

Эмпирические законы сухого трения. Подействуем на тело (например. Брусок), лежащее на неподвижной опоре, внешней силой F (рис. 3.8), постепенно увеличивая ее модуль. Вначале брусок будет оставаться неподвижным. Это указывает на то, что внешняя сила F уравновешивается некоторой силой F_тр, направленной по касательной к трущимся поверхностям противоположно силеF. Сила F_тр и есть сила трения покоя. Она обусловлена действием опоры, на которой лежит тело, и “автоматически” принимает значение, равное модулю силы F. Когда модуль внешней силы (а следовательно, и модуль силы трения покоя) превысит значение F₀, тело начнет скользить по опоре – трение покоя сменяется трением скольжения.

Величина F₀ представляет собой максимальное значение силы трения покоя. Сама эта сила, в зависимости от модуля внешней силы, принимает одно из значений в интервале от нуля до F₀.

Модуль силы трения скольжения приблизительно равен F₀ и обычно зависит от скорости скольжения v. Примерный график зависимости F_тр от v показан на рис. 3.9. Из графика следует, что с увеличением скорости сила трения скольжения вначале немного убывает, а затем начинает возрастать.

Опытным путем установлено, что максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения тел и приблизительно пропорциональна модулю силы нормального давления F_n, прижимающей трущиеся поверхности друг к другу:

F₀=m₀F_n. (3.26)

Безразмерный множитель m₀ называется коэффициентом трения покоя. Он зависит от природы и состояния трущихся поверхностей.

Аналогичная зависимость имеет место и для силы трения скольжения:

F₀=mF_n (3.27)

Здесь m - коэффициент трения скольжения, который является функцией скорости.

Трение качения возникает между шарообразным или цилиндрическим телом и поверхностью, по которой оно катится. Сила трения качения также подчиняется закону (3.27), но коэфициент трения в этом случае бывает значительно меньшим, чем при скольжении.

Эмпирические законы вязкого (жидкого )трения. На тело, движущееся в вязкой (жидкой или газообразной) среде, действует сила, тормозящая его движение. Эта сила слагается из силы вязкого трения и силы сопротивления среды. Слои среды, непосредствеено соприкасающиеся с телом, движутся вместе с телом как одно целое. Сила вязкого трения возникает между этими и внешними относительно них слоями. Давление на различные участки движущегося тела оказывается неодинаковым. Результирующая сила давления имеет составляющую, направленную противоположно скорости. Эта составляющая и есть сила сопротивления среды. При больших скоростях сила сопротивления среды может во много раз превосходить силу вязкого трения. Суммарную силу, обусловленную вязким трением и сопротивлением среды, принято условно называть силой трения.

Для определенной таким образом силы трения характерно то, что она обращается в нуль в месте со скоростью. При небольших скоростях сила растет пропорционально скорости:

F_тр=-к₁v. (3.28)

Знак минус указывает на то, что сила направлена противоположно скорости. Коэффициент к₁ зависит от формы и размеров тела, характера его поверхности, а также свойства среды, называемого вязкостью.

При увеличении скорости тела линейная зависимость (3.28) постепенно переходит в квадратичную:

F_тр=-к₂v²e_v (3.29)

(e_v – орт скорости).

Границы области, в которой происходит переход от закона (.28) к закону (3.29), зависят от тех же факторов, от которых зависит коэффициент к₁.