Как уменьшить трение физика

Сила трения

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Сила трения: величина, направление

С силой трения вы сталкиваетесь буквально каждую секунду. Каждый раз, когда вы взаимодействуете с любой поверхностью — идете по асфальту, сидите на стуле, пьете чай из чашки — на вас действует сила трения.

Трение — это и есть взаимодействие в плоскости соприкосновения двух поверхностей.

Чтобы перевести трение на язык математики, вводится понятие сила трения.

Сила трения — это величина, которая характеризует процесс трения по величине и направлению.

Измеряется сила трения, как и любая сила — в Ньютонах.

Возникает сила трения по двум причинам:

Направлена сила трения всегда против скорости тела. В этом плане все просто, но всегда есть вопрос:

В задачах часто пишут что-то вроде: «Поверхность считать идеально гладкой». Это значит, что сила трения в данной задаче отсутствует. Да, в реальной жизни это невозможно, но во имя красивой математической модели трением часто пренебрегают.

Не переживайте из-за этой несправедливости, а просто решайте задачи без трения, если увидели словосочетание «гладкая поверхность».

Сухое и вязкое трение

Есть очень большая разница между вашим соприкосновением с водой в бассейне во время плавания и соприкосновением между асфальтом и колесами вашего велосипеда.

В случае с плаванием мы имеем дело с вязким трением — явлением сопротивления при движении твердого тела в жидкости или воздухе. Самолет тоже подвергается вязкому трению и вон тот наглый голубь из вашего двора.

А вот сухое трение — это явление сопротивления при соприкосновении двух твердых тел. Например, если школьник ерзает на стуле или злодей из фильма потирает ладоши — это будет сухое трение.

Вязкое трение в школьном курсе физики не рассматривается подробно, а вот сухое — разбирают вдоль и поперек. У сухого трения также есть разновидности, давайте о них поговорим.

Трение покоя

Если вы решите сдвинуть с места грузовик, вряд ли у вас это получится. Не то, чтобы мы в вас не верим — просто это невозможно сделать из-за того, что масса человека во много раз меньше массы грузовика, да еще и сила трения мешает это сделать. Мир жесток, что тут поделать.

В случае, когда сила трения есть, но тело не двигается с места, мы имеем дело с силой трения покоя.

Сила трения покоя равна силе тяги. Например, если вы пытаетесь сдвинуть с места санки, действуя на них с силой тяги 10 Н, то сила трения будет равна 10 Н.

Сила трения покоя

Fтр = Fтяги

Fтр — сила трения скольжения [Н]

Задача

Найти силу трения покоя для тела, на которое действуют сила тяги в 4 Н.

Решение:

Тело покоится, значит

Ответ: сила трения равна 4 Н.

Трение скольжения

А теперь давайте скользить на коньках по льду. Каток достаточно гладкий, но, как мы уже выяснили, сила трения все равно будет присутствовать и вычисляться будет по формуле:

Сила трения скольжения

Fтр = μN

Fтр — сила трения скольжения [Н]

μ — коэффициент трения [-]

N — сила реакции опоры [Н]

Сила трения, которую мы получим по этой формуле будет максимально возможной — то есть больше уже никуда.

Сила реакции опоры — это сила, с которой опора действует на тело. Она численно равна силе нормального давления и противоположна по направлению.

Не совсем. Сила нормального давления направлена всегда перпендикулярно поверхности (нормаль — перпендикуляр к поверхности). Вес не обязательно направлен перпендикулярно поверхности.

В рамках школьного курса вес всегда направлен перпендикулярно поверхности, поэтому силу реакции опоры можно численно приравнивать к весу.

Подробнее про вес тела читайте в нашей статье😇

Также, если тело находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры будет равна силе тяжести: N = mg.

Коэффициент трения — это характеристика поверхности. Он определяется экспериментально, не имеет размерности и показывает, насколько поверхность гладкая — чем больше коэффициент, тем более шероховатая поверхность. Коэффициент трения положителен и чаще всего меньше единицы.

Задача 1

Масса котика, лежащего на столе, составляет 5кг. Коэффициент трения µ=0,2. К коту прилагают внешнюю силу, равную 2,5Н. Какая сила трения при этом возникает?

Решение:

По условию данной задачи невозможно понять, двигается наш котик или нет. Решение о том, приравниваем ли мы к силе тяги силу трения, принять сразу нельзя. В таких случаях нужно все-таки рассчитать по формуле:

Так как котик лежит на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в данном случае равна силе тяжести: N = mg.

Мы получили максимально возможную силу трения. Внешняя сила по условию задачи меньше максимальной. Это значит, что котик находится в покое. Сила трения уравновешивает внешнюю силу. Следовательно, она равняется 2,5Н.

Ответ: возникает сила трения величиной 2,5 Н

Задача 2

Барсук скользит по горизонтальной плоскости. Найти коэффициент трения, если сила трения равна 5 Н, а сила давления тела на плоскость – 20 Н.

Решение:

В данной задаче нам известно, что барсучок скользит. Значит нужно воспользоваться формулой:

Так как барсук находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в данном случае равна силе давления на плоскость: N = Fд.

Выражаем коэффициент трения:

μ = Fтр/Fд = 5/20 = 0,25

Ответ: коэффициент трения равен 0,25

Задача 3

Пудель вашей бабушки массой 5 килограмм скользит по горизонтальной поверхности. Сила трения скольжения равна 20 Н. Найдите силу трения, если пудель сильно похудеет, и его масса уменьшится в два раза, а коэффициент трения останется неизменным.

Решение:

В данной задаче нам известно, что пудель скользит. Значит, нужно воспользоваться формулой:

Так как пудель находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в данном случае равна силе тяжести: N = mg.

Выразим коэффициент трения:

μ = Fтр/mg = 20/5*10 = 0,4

Теперь рассчитаем силу трения для массы, меньшей в два раза:

Ответ: сила трения будет равна 10 Н.

Задача 4

Ученик провел эксперимент по изучению силы трения скольжения, перемещая брусок с грузами равномерно по горизонтальным поверхностям с помощью динамометра.

Результаты экспериментальных измерений массы бруска с грузами m, площади соприкосновения бруска и поверхности S и приложенной силы F представлены в таблице.

Источник

Как уменьшить силу трения?

Ответ или решение 2

Таким образом F _тр = M * N = Mmg, следовательно сила трения зависит от массы и коэффициента трения, причем зависимость прямая.

Если тело не является системой тел, и разгрузить его нельзя, то остается манипулировать коэффициентом.

Для уменьшения шероховатости поверхности можно использовать смазочные материалы, шлифовку, тела обтекаемых форм.

Т.к. сила трения качения меньше силы трения скольжения, то можно заменить один вид на другой. Например использовать подшипники в механизмах.

Для того, чтобы узнать какими способами можно уменьшить силу трения, необходимо иметь представление о таком понятии, как сила трения.

Что такое сила трения в физике

В физике под данным термином принято подразумевать одну из видов сил, которая возникает вследствие соприкосновения двух тел, а кроме этого, препятствует их относительному движению. Стоит отметить важный факт, данная физическая величина способствует уменьшению скорости тела.

Причины возникновения силы трения

В физике принято выделять следующие основные причины возникновения:

Примером возникновения является случай, если с разбега прокатиться по ледяной дорожке, то есть если бы покрытие было асфальтное, ситуация была бы не возможной.

Основными видами трения являются следующие:

В момент трения отмечается возрастание температурных показателей, а следовательно, выделяется определенное количество тепловой энергии.

Существует несколько способов уменьшения силы трения:

Источник

Сила трения

теория по физике 🧲 динамика

Трение — вариант взаимодействия двух тел. Оно возникает при движении одного тела по поверхности другого. При этом тела действуют друг на друга с силой, которая называется силой трения. Сила трения имеет электромагнитную природу.

Сила трения — сила, возникающая между телами при их движении или при попытке их сдвинуть. Обозначается как F _тр. Единица измерения — Н (Ньютон).

Трение бывает сухим и жидким. В школьном курсе физике изучается сухое трение.

Виды сухого трения:

Трение скольжения

Сила трения скольжения определяется формулой:

μ — коэффициент трения, N — сила реакции опоры, F_давл. — сила нормального давления

Сила реакции опоры и сила нормального давления — равные по модулю, но противоположные по направлению силы. Если тело не перемещается с ускорением относительно оси ОУ, модули силы реакции опоры и силы нормального давления равны модулю силы тяжести, действующей на это тело.

Силу трения скольжения зависит от степени неровности (шероховатости) поверхности. Поэтому ее можно легко менять.

Чтобы увеличить силу трения скольжения, нужно сделать поверхность тела более шероховатой. Так, чтобы зимой автомобили не скользили по голому льду, автомобилисты используют зимние шины. От летних они отличаются глубоким протектором и наличием шипов, создающих дополнительную неровность.

Чтобы уменьшить силу трения скольжения, нужно сделать поверхность более ровной. Ее можно отшлифовать или смазать. Так, чтобы лыжи скользили по снегу лучше, их смазывают специальными мазями или парафинами.

Пример №1. Конькобежец массой 70 кг скользит по льду. Какова сила трения, действующая на конькобежца, если коэффициент трения скольжения коньков по льду равен 0,002?

Сила реакции опоры по модулю равна силе тяжести, действующей на конькобежца. Отсюда:

Трение покоя

Трение покоя возникает при попытке сдвинуть предмет с места. Трение покоя противоположно направлено приложенной к телу силе (в сторону возможного движения).

Сила трения покоя всегда больше нуля, но всегда меньше силы трения скольжения:

Способы определения вида силы трения, возникающей между телами, и ее модуля:

Проекция на ось ОХ:

Проекция на ось ОУ:

Равнозамедленное движение по горизонтали, сила тяги параллельная плоскости

Второй закон Ньютона в векторной форме:

Проекция на ось ОХ:

Проекция на ось ОУ:

Ускоренное движение по горизонтали, сила тяги направлена под углом к горизонту (вверх)

Второй закон Ньютона в векторной форме:

Проекция на ось ОХ:

Проекция на ось ОУ:

Ускоренное движение по горизонтали, сила тяги направлена под углом к горизонту (вниз)

Второй закон Ньютона в векторной форме:

Проекция на ось ОХ:

Проекция на ось ОУ:

Внимание! В случаях, когда сила тяги F _т направлена под углом к плоскости движения, сила реакции опоры не равна силе тяжести: N ≠ mg.

Пример №3. Брусок массой 1 кг движется равноускоренно по горизонтальной поверхности под действием силы 10 Н, как показано на рисунке. Коэффициент трения скольжения равен 0,4, а угол наклона α — 30 градусов. Чему равен модуль силы трения? Сила трения равна произведению коэффициента трения скольжения на силу реакции опоры:

Проекция сил на ось ОУ выглядит так:

Отсюда силы реакции опоры равна:

Подставим ее в формулу для вычисления силы трения и получим:

Движение тела по вертикальной плоскости

Тело прижали к вертикальной плоскости и удерживают

Второй закон Ньютона в векторной форме:

Проекция на ось ОХ:

Проекция на ось ОУ:

Тело поднимается под действием силы тяги, направленной под углом к вертикали

Второй закон Ньютона в векторной форме:

Проекция на ось ОХ:

Проекция на ось ОУ:

Пример №4. Груз массой 50 кг удерживают на вертикальной плоскости, коэффициент трения которой равен 0,4. Определить, какую силу нужно приложить, чтобы груз оставался в состоянии покоя. Проекция на ось ОХ:

Отсюда следует, что сила должна быть равна силе реакции опоры. Проекция на ось ОУ:

Перепишем, выразив силу трения через силу реакции опоры:

Отсюда выразим силу реакции опоры: Следовательно:

Движение тела по наклонной плоскости

Движение вниз без трения

Второй закон Ньютона в векторной форме:

Тело покоится на наклонной плоскости

Второй закон Ньютона в векторной форме:

Тело удерживают на наклонной плоскости

Второй закон Ньютона в векторной форме:

m g + N + F + F _тр = m a

Равноускоренное движение вверх с учетом силы трения

Второй закон Ньютона в векторной форме:

Равномерное движение вверх с учетом силы трения

Второй закон Ньютона в векторной форме:

m g + N + F + F _тр = m a

Пример №5. Брусок массой 200 г покоится на наклонной плоскости. Коэффициент трения между поверхностью бруска и плоскостью равен 0,6. Определите величину силы трения, если угол наклона плоскости к горизонту равен 30 градусам. Переведем массу в килограммы: 200 г = 0,2 кг. Проекция сил, действующих на тело, на ось ОХ:

Отсюда сила трения равна:

Подставляем известные данные и вычисляем:

Полезная информация

Косинус угла наклона
Синус угла наклона (уклон)
Тангенс угла наклона

При исследовании зависимости силы трения скольжения F тр от силы нормального давления F д были получены следующие данные:

Источник

Сила трения

Содержание

К примеру, когда велосипедист крутит педали – велосипед едет, а когда не крутит – велосипед начинает тормозить и вскоре, останавливается.

Сани, скатившись с горы, постепенно теряют скорость и вскоре останавливаются.

Мы знаем, что причиной всякого изменения скорости движения (в данном случае уменьшения) является сила. Значит, и в рассмотренных примерах на каждое движущееся тело действовала сила.

Существуют разные, уже изученные нами ранее силы: сила тяжести, сила упругости, вес тела. В приведённых выше примерах фигурировала сила трения.

Итак, разберём это понятие:

Сила трения – это сила, возникающая при взаимодействии двух тел и препятствующая их относительному движению.

Причины возникновения трения

1. Шероховатость поверхностей тел

Гладкие на ощупь тела тоже имеют неровности, бугорки и царапины.

С помощью современных лазерных микроскопов сейчас можно увидеть даже самые незаметные неровности. Например, на рисунке 2 вы можете увидеть изображение поверхность листа стали, прошедшего обработку. Для наших невооруженных глаз такой стальной лист будет казаться идеально гладким, но это не так.

Рисунок 2. Поверхность стального листа под лазерным микроскопом.

Из-за этого, когда одно тело скользит или катится по поверхности другого, эти неровности цепляются друг за друга. Это создает силу, препятствующую движению.

2. Взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел

Другая причина возникновения трения — взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел. Если поверхности тел идеально гладкие, то при соприкосновении молекулы тел находятся очень близко друг к другу. В этом случае заметно проявляется притяжение между молекулами тел (рисунок 3).

Рисунок 3. Взаимное притяжение молекул при соприкосновении двух тел.

Изменение силы трения. Смазка

Силу трения можно уменьшить во много раз, если ввести между трущимися поверхностями смазку, слой которой разъединяет поверхности трущихся тел (рисунок 4). В этом случае соприкасаются не поверхности тел, а слои смазки. Смазка же в большинстве случаев жидкая, а, как известно, трение жидких слоёв меньше, чем твёрдых.

Рисунок 4. Уменьшение силы трения с помощью смазки

Например, на коньках малое трение при скольжении по льду объясняется также действием смазки: смазкой в этом случае является вода, образующаяся между коньками и льдом тонким слоем.

Именно из-за маленького трения жидкости мы подскальзываемся на вымытом полу. В технике благодаря меньшему трению жидкости в качестве смазки широко применяют различные масла.

Виды трения

Если одно тело скользит по поверхности второго, то возникает особое трение – трение скольжения. Оно возникает, к примеру, при движении саней или лыж по снегу.

Если же первое тело не скользит, а катится по поверхности второго, то возникающее при этом трение называют иначе – трением качения.

Оно проявляется при перекатывании бревна или бочки по земле, при движении автомобиля, велосипеда и других транспортных средств на колёсах.

Примеры трения качения

Измерение силы трения

Силу трения можно не только изменить, применяя смазку, как было сказано ранее, но ещё и измерить. Возьмём деревянный брусок, прикрепим к ним динамометр и будем его двигать, держа динамометр горизонтально. Что покажет динамометр?

На брусок в горизонтальном направлении действует 2 силы: сила упругости пружины динамометра, направленная в cторону движения, и сила трения, направленная против движения.

Брусок движется равномерно, значит эти 2 силы компенсируют друг-друга (их равнодействующая равна 0). Следовательно, эти 2 силы равны по модулю, но имеют разные направления.

Таким образом, динамометр показывает силу, равную по модулю силе трения.

Измеряя силу, с которой динамометр действует на тело при равномерном движении, мы измеряем силу трения.

Какие сани легче тащить, с грузом или без? Если мы положим на брусок какой-нибудь груз, и таким же образом измерим силу трения, то увидим, что она больше, чем у бруска без груза.

Чем больше сила, прижимающая тело к поверхности, тем больше возникающая при этом сила трения

Положив брусок на круглые палочки, мы измерим силу трения качения. Она будет меньше силы трения скольжения.

При равных нагрузках сила трения качения всегда меньше силы трения скольжения

Именно поэтому мы повсеместно используем колесо, ведь оно помогает «заменить» силу трения скольжения на намного меньшую силу трения качения.

Источник