Силата на триене е физическа величина, която предотвратява всяко движение на тялото. По правило възниква, когато телата се движат в твърдо, течно и газообразно вещество. Различните видове сили на триене играят важна роля в човешкия живот, тъй като предотвратяват прекомерно увеличаване на скоростта на телата.
Класификация на силите на триене
В общия случай всички видове сили на триене се описват с три типа: сила на триене на плъзгане, търкаляне и покой. Първият е статичен, другите две са динамични. Триенето в покой пречи на тялото да започне да се движи, от своя страна, при плъзгане, триенето съществува, когато тялото се трие в повърхността на друго тяло по време на движението си. Триенето при търкаляне възниква, когато кръгъл предмет се движи. Да вземем пример. Ярък пример за типа (сила на триене при търкаляне) е движението на автомобилни колела по асфалт.
Естеството на силите на триене е наличието на микроскопични несъвършенства между триещите се повърхности на две тела. Поради тази причина, получената сила, действаща върхуобект, който се движи или започва да се движи, се състои от сумата от силата на нормалната реакция на опората N, която е насочена перпендикулярно на повърхността на контактуващите тела, и от силата на триене F. Последната е насочена успоредно на контактна повърхност и е противоположна на движението на тялото.
Трене между две твърди тела
Когато се разглежда въпроса за различните видове сили на триене, се наблюдават следните модели за две твърди тела:
- Силата на триене е насочена успоредно на опорната повърхност.
- Коефициентът на триене зависи от естеството на контактните повърхности, както и от тяхното състояние.
- Максималната сила на триене е право пропорционална на нормалната сила или опорна реакция, която действа между контактните повърхности.
- За същите тела силата на триене е по-голяма преди тялото да започне да се движи и след това намалява, когато тялото започне да се движи.
- Коефициентът на триене не зависи от контактната площ и практически не зависи от скоростта на плъзгане.
Закони
Обобщавайки експерименталния материал за законите на движението, ние установихме следните основни закони по отношение на триенето:
- Съпротивлението при плъзгане между две тела е пропорционално на нормалната сила, действаща между тях.
- Устойчивостта на движение между триещите се тела не зависи от контактната площ между тях.
За да демонстрираме втория закон, можем да дадем следния пример: ако вземете блок и го преместите чрез плъзгане по повърхността, тогава необходимата сила за такова движениеще бъде същото, когато блокът лежи на повърхността с дългата си страна и когато стои с края си.
Законите относно различните видове сили на триене във физиката са открити в края на 15-ти век от Леонард да Винчи. След това били забравени за дълго време и едва през 1699 г. били преоткрити от френския инженер Амонтон. Оттогава законите на триенето носят неговото име.
Защо силата на триене е по-голяма от тази при плъзгане в покой?
Когато разглеждаме няколко вида сили на триене (покой и плъзгане), трябва да се отбележи, че статичната сила на триене винаги е по-малка или равна на произведението на коефициента на статично триене и силата на реакция на опората. Коефициентът на триене се определя експериментално за тези материали за триене и се въвежда в съответните таблици.
Динамичната сила се изчислява по същия начин като статичната сила. Само в този случай коефициентът на триене се използва специално за плъзгане. Коефициентът на триене обикновено се обозначава с гръцката буква Μ (mu). По този начин общата формула за двете сили на триене е: Ftr=ΜN, където N е силата на опорната реакция.
Естеството на разликата между тези видове сили на триене не е точно установено. Повечето учени обаче смятат, че статичната сила на триене е по-голяма от тази при плъзгане, тъй като когато телата са в покой едно спрямо друго за известно време, между техните повърхности могат да се образуват йонни връзки или микросливания на отделни точки от повърхностите. Тези фактори причиняват увеличаване на статикатаиндикатор.
Пример за няколко вида сила на триене и тяхното проявление е буталото в цилиндъра на автомобилен двигател, което е "запоено" към цилиндъра, ако двигателят не работи дълго време.
Хоризонтално плъзгащо се тяло
Нека получим уравнението на движението на тяло, което под действието на външна сила Fin започва да се движи по повърхността чрез плъзгане. В този случай върху тялото действат следните сили:
- Fv – външна сила;
- Ftr – сила на триене, която е противоположна по посока на силата Fv;
- N е силата на реакция на опората, която е равна по абсолютна стойност на теглото на тялото P и е насочена към повърхността, тоест под прав ъгъл към нея.
Взимайки предвид посоките на всички сили, пишем втория закон на Нютон за този случай на движение: Fv - Ftr=ma, където m - маса на тялото, a - ускорение на движението. Знаейки, че Ftr=ΜN, N=P=mg, където g е ускорението на свободно падане, получаваме: Fv – Μmg=ma. Откъдето, изразявайки ускорението, с което се движи плъзгащото тяло, получаваме: a=F в / m – Μg.
Движение на твърдо тяло в течност
Когато разглеждаме какви видове сили на триене съществуват, трябва да споменем важен феномен във физиката, който е описанието на това как се движи твърдо тяло в течност. В този случай говорим за аеродинамично триене, което се определя в зависимост от скоростта на тялото в течността. Има два вида движение:
- Когатвърдо тяло се движи с ниска скорост, говорим за ламинарно движение. Силата на триене при ламинарно движение е пропорционална на скоростта. Пример е законът на Стокс за сферични тела.
- Когато движението на тяло във флуид се извършва с по-висока скорост от определена прагова стойност, тогава около тялото започват да се появяват вихри от флуидни потоци. Тези вихри създават допълнителна сила, която пречи на движението и в резултат на това силата на триене е пропорционална на квадрата на скоростта.
Природа на силата на триене при търкаляне
Когато говорим за видовете сили на триене, е обичайно да наричаме силата на триене при търкаляне трети вид. То се проявява, когато едно тяло се търкаля върху определена повърхност и настъпва деформация на това тяло и на самата повърхност. Тоест, в случай на абсолютно недеформируемо тяло и повърхност, няма смисъл да говорим за силата на триене при търкаляне. Нека разгледаме по-отблизо.
Концепцията за коефициент на триене при търкаляне е подобна на тази за плъзгане. Тъй като няма приплъзване между повърхностите на телата по време на търкаляне, коефициентът на триене при търкаляне е много по-малък, отколкото при плъзгане.
Основният фактор, който влияе на коефициента, е хистерезисът на механичната енергия за вида на силата на триене при търкаляне. По-специално колелото, в зависимост от материала, от който е направено, както и от натоварването, което носи, се деформира еластично по време на движение. Повтарящите се цикли на еластична деформация водят до прехвърляне на част от механичната енергия в топлинна енергия. Освен това, порадиповреда, контактът на колелото и повърхността вече има ограничена контактна площ.
формула за сила на триене при търкаляне
Ако приложим израза за момента на сила, който върти колелото, тогава можем да получим, че силата на триене при търкаляне е Ftr.k.=Μ k N / R, тук N е реакцията на опората, R е радиусът на колелото, Μк – коефициент на триене при търкаляне. Така силата на триене при търкаляне е обратно пропорционална на радиуса, което обяснява предимството на големите колела пред малките.
Обратната пропорционалност на тази сила спрямо радиуса на колелото предполага, че в случай на две колела с различни радиуси, които имат еднаква маса и са направени от същия материал, колелото с по-голям радиус е по-лесно помръдна.
Коефициент на въртене
В съответствие с формулата за този тип сила на триене получаваме, че коефициентът на триене при търкаляне Μk има размерността на дължината. Това зависи главно от естеството на контактуващите тела. Стойността, която се определя от съотношението на коефициента на триене при търкаляне към радиуса, се нарича коефициент на търкаляне, тоест Ck=Μk / R е безразмерна величина.
Коефициентът на търкаляне Ck е значително по-малък от коефициента на триене при плъзгане Μtr. Следователно, когато отговаряме на въпроса кой тип сила на триене е най-малка, можем спокойно да наречем сила на триене при търкаляне. Благодарение на този факт изобретяването на колелото се счита за важна стъпка в технологичния прогрес.човечеството.
Съотношението на търкаляне е специфично за системата и зависи от следните фактори:
- твърдост на колелото и повърхността (колкото по-малка е деформацията на телата, която се получава по време на движение, толкова по-нисък е коефициентът на търкаляне);
- радиус на колелото;
- тегло, което действа върху колелото;
- контактна повърхност и нейната форма;
- вискозитет в зоната на контакт между колелото и повърхността;
- телесна температура
