Сила тертя з’являється, коли дві поверхні стикаються і рухаються відносно одна одної. Цей процес вивчає фізика, а точніше – механіка. Вона розглядає основні закони, яким піддаються тіла при їх русі і взаємодії, з’ясовує причини, що впливають на зміну положення предметів.
Визначення і природа сили тертя
Сила тертя Fтр виникає при торканні двох тіл. Вона створює перешкоди для їх подальшого руху.
Це відбувається при взаємодії атомів і молекул, з яких складаються предмети. Тому природа появи сили тертя – електромагнітні хвилі. Вона діє у двох напрямках і направлена на обидва тіла.
При цьому її значення по модулю не змінюється. Якщо на одне з двох дотичних тіл діє сила, то вона впливає і на інше.
Коли ж її величина зросте до певної межі, відбудеться переміщення в нове місце. Тоді з’являється сила тертя ковзання, її напрямок протилежний зсуву предмета.
Завдяки дії тертя неможливо переміщатися вічно. Рух закінчиться через певний час. Якщо ж зовнішня сила знову перевищить значення тертя спокою, то переміщення відновиться.
Види сили тертя
Основні види сили тертя:
- Тертя спокою. Цей вид тертя чинить опір зовнішнім факторам, які намагаються зрушити тіло. При їх відсутності значення тертя прирівнюють до нуля.
- Тертя ковзання. Ця сила знаходиться в прямій залежності від коефіцієнта тертя і значення сили, з якою поверхня чинить тиск на тіло. Її напрямок дії завжди перпендикулярний поверхні. Вона зазвичай нижче, ніж максимальна сила тертя спокою.
- Кочення. Сила виникає, коли одне тіло котиться по поверхні іншого. Наприклад, при зіткненні колеса велосипеда з дорогою або при роботі підшипникового механізму. Ця сила створює набагато меншу дію, ніж тертя ковзання, якщо інші умови вважати незмінними. Її відкриття стало незамінним для техніки. Колеса і круглі деталі, що обертаються і змінюють положення, є основою багатьох механізмів і роботи транспортних засобів.
- Вертіння. Воно з’являється, коли один предмет починає обертатися по поверхні іншого.
Саме тертя може бути декількох видів:
- Сухе. Виявляється при зіткненні твердих поверхонь. На них не спостерігаються інші матеріали і шари. Таке в природі і житті зустрічається вкрай рідко.
- В’язке. Його ще називають рідинним. Виникає при взаємодії твердого тіла з рідиною або газом. Вони можуть текти повз нерухомого предмета. Або він переміщається в рідкій або газоподібній субстанції. Наприклад, човен тягнуть на канаті по річці. Тіло змушує переміщатися верхній шар рідини або газу, немов воно тягне його за собою. Човен, своєю чергою діє на інший шар, розташований нижче. Чим далі від тіла, тим нижче швидкість руху шарів. Це відбувається через зменшення впливу твердого предмета. Між шарами виникає сила тертя, оскільки тіла рухаються відносно один одного. Вона призводить до їх гальмування, а значить і діє на тверде тіло, при цьому зупиняючи його.
- Змішане. Воно спостерігається, коли між тілами, дотичними поверхнями, є шар мастила.
Також тертя поділяють на внутрішнє і зовнішнє:
- зовнішнє виникає при взаємодії твердих тіл, значить до нього можна віднести сухе тертя.
- внутрішнє ж характеризується в’язкістю. Саме при взаємодії рідин або газу зміщення відбувається всередині одного тіла, коли шари рухаються відносно один одного.
Як знайти силу тертя
Щоб знайти силу тертя, потрібно знати коефіцієнт тертя k, що залежить від властивостей поверхні. Це постійна величина, значення якої береться з таблиць.
Також знадобиться сила реакції опори N. Потрібна величина визначається добутком двох значень:
Fтр = k * N
Буквою k позначається коефіцієнт. Також можна зустріти символ µ. Зазвичай він знаходиться в межах від 0,1 до 1.
Наприклад:
- для гуми, що переміщається по сухому асфальту, при русі він коливається від 0,5 до 0,8;
- при ковзанні металу по дереву – 0,4;
- заліза по чавуну – 0,18.
N = m * g
Це постійна величина, що становить 9,8 м/с². Це правило діє, коли доводиться мати справу з горизонтальною поверхнею. Сила тяжіння і реакція опори врівноважують один одного. Тому їх вважають рівними величинами.
Якщо ж відбувається рух по похилій площині, хід міркувань дещо змінюється. На предмет як і раніше діють сили тяжіння і реакція опори, але не в одному напрямку.
При знанні кута нахилу площини до горизонту, формула трансформується і набуває наступного вигляду:
N = k * m *·g *·cosα
Тут необхідно керуватися тим, що косинус це відношення катета, прилеглого до кута, до гіпотенузи трикутника. Це один з тих випадків, що доводять тісний взаємозв’язок фізики і тригонометрії.
Приклад розв’язання задач
Задача, на застосування отриманих знань, пов’язаних з силою тертя, допоможе закріпити матеріал.
Умова задачі. На підлозі стоїть коробка вагою 7 кг. Коефіцієнт тертя між нею і підлогою становить 0,3. До коробки прикладають силу, рівну 14 Н. Чи зрушиться коробка з місця?
Рішення.
Коробка знаходиться на горизонтальній площині. Вона схильна до дії сили тяжіння, яку зрівнює реакція опори. Вони спрямовані перпендикулярно коробці і підлозі. Значить, для визначення сили реакції опори, потрібно помножити масу коробки на прискорення:
- N = m * g;
- N = 10 кг * 9,8 м/с2 = 98 кг * м/с2 = 98 Н;
- Fтр = k * N;
- Fтр = 0,3 * * 98Н = 29,4 Н.
Відповідь: отримане значення перевищує зусилля, прикладені до коробки з боку, оскільки 29,4 Н > 14 Н. Значить, коробка залишиться на початковому місці.
Висновок
Сила тертя присутня в житті постійно. Вона заважає предметам зрушитися з місця і противиться їх тривалому ковзанню і переміщенню. Її значення залежить від поверхонь, з якими доводиться стикатися, їх властивостей і характеристик.
Площа зіткнення не враховується, зате має значення положення тіла. Наприклад, сила, що виникає при русі автомобіля по рівній поверхні, відрізняється від величини при переміщенні по гірській місцевості, розташованої під кутом до горизонту. А якщо машині доводиться рухатися на мокрій дорозі, то значення знову змінюється.
