Силы трения
С явлением трения мы знакомы с детства. В разных случаях мы говорим: «В походе не натрите ноги»; в школе — «Сотрите с доски записи».
Первые исследования трения были проведены итальянским ученым Леонардо да Винчи более 400 лет тому назад, но результаты его работы не были опубликованы. Законы трения открыли французские ученые Гильом Амонтон (1699 г.) и Шарль Огюстен Кулон (1785 г.).
Трением называется сопротивление соприкасающихся тел движению друг относительно друга. Трением сопровождается каждое механическое движение, и это обстоятельство имеет существенное следствие в современном техническом прогрессе.
Тела, перемещающиеся с трением друг относительно друга, должны соприкасаться поверхностями или двигаться одно в среде другого. Движения тел друг относительно друга может и не возникнуть из-за наличия трения, если движущая сила меньше максимальной силы трения покоя.
Сила трения есть сила сопротивления движению соприкасающихся тел друг относительно друга.
Трение объясняется двумя причинами: неровностями трущихся поверхностей тел и молекулярным взаимодействием между ними. Если выйти за пределы механики, то следует сказать, что силы трения имеют электромагнитное происхождение, как и силы упругости, о которых речь пойдет позже. Известны несколько видов трения, в числе которых трение покоя, трение скольжения, трение качения, сопротивление среды. Каждая из указанных выше двух причин трения в разных случаях проявляет себя в разной мере. Например, если соприкасающиеся поверхности твердых трущихся тел имеют значительные неровности, то основная слагаемая в возникающей здесь силе трения будет обусловлена именно данным обстоятельством, т. е. неровностью, шероховатостью поверхностей трущихся тел.
Если соприкасающиеся поверхности твердых трущихся тел отлично отшлифованы и гладки, то основная слагаемая возникающей при этом силы трения будет определяться молекулярным сцеплением между трущимися поверхностями тел.
Трение в жизни человека, в природе, быту и технике выполняет двойственную роль: в одних случаях — положительную, в других — отрицательную. Очень часто трение является полезным, вследствие чего оно широко используется в быту и в технике. Так, именно трение подошв обуви о пол зданий, о дороги и землю обеспечивают возможность передвижения, хождения человека. Трение об опору — землю, дороги, рельсы, движущих колес различных видов транспорта создает возможность движения автомобилей, трамваев, троллейбусов, поездов, самоходных сельскохозяйственных машин и т. д. С помощью трения обеспечивается передача движения в самых различных, так называемых фрикционных устройствах, например в муфтах сцепления автомобилей, тракторов и тепловозов, имеющих механическую силовую передачу от двигателей к движущим осям и колесам. Трение настолько необходимо и мы настолько сжились с ним, что мир без трения показался бы нам просто фантастическим. Напомним, что сила трения скольжения определяется по формуле
где F — сила трения, µ— коэффициент трения, Р— сила давления движущегося тела на опору.
Рассмотрим более детально процесс возникновения сил трения скольжения и покоя на стыке двух соприкасающихся тел. Если посмотреть на поверхности тел под микроскопом, то будут видны микронеровности, которые мы изобразим в увеличенном виде (рис. 1, а).
Рассмотрим взаимодействие соприкасающихся тел на примере одной пары неровностей (гребень и впадина) (рис. 3, б). В случае, когда сила, пытающаяся вызвать движение, отсутствует, характер взаимодействия на обоих склонах микронеровностей аналогичный. При таком характере взаимодействия все горизонтальные составляющие силы взаимодействия уравновешивают друг друга, а все вертикальные просуммируются и составляют силу N (реакция о