Фейнман - 01. Современная наука о природе. Законы механики (1055659), страница 46

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 46)

Сила, нужная для того, чтобы преодолевать трение и тащить один предмет по поверхности другого, зависит от силы, направленной по нормали (по пернендикуляру) к поверхностям соприкосновения. В довольно хоРошем приближении можно считать, что сила трения пропорциональна нормальной силе с более илп менее постоянным коэффициентом: (12. 1) где )ь — коэффициент трения (фпг. 12.1).

Хотя коэффициент Р не очень постоянен, эта формула оказывается хорошим эмпирическим правилом, позволяющим прикидывать, какая сила понадобится в тех или иных нрактическвх или инженерных обстоятельствах. Только когда нормальная сила нлн быстрота двнже- 214 й и г. ГЭ.Е. Соопеноисение нексия силой и реник и нормольной сосепп: ляюиеей силы при снольжении. ння очень уж велика, закон отказывает: выделяется чересчур много тепла. Важно понимать, что у любого из этих эмпиричоских законов есть ограничения, вне которых они не работают. Приближенную справедливость формулы Р—.--1»Х можно засвидетельствовать простым опытом. Положим брусок весом 1Ге на плоскость, наклоненную под углом О.

11одымем плоскость круче, пока брусок под тяжестью собственного веса не соскользнет с нее. Составляющая веса вниз вдоль плоскости И'зГп О равна силе трения Р, раз брусок скользит равномерно. Слагающая веса, нормальная к плоскости, это Иесо»О; она и есть нормальная сила Л'. Формула превращается в ГГезГпО=ГеГГ'соэО, откуда 1»= — эГвО/соз О=-Гяб. Согласно этому закону, при определенном наклоне плоскости брусок начинает скользить. Если брусок нагрузить дополнительным весом, то все силы в формуле возрастут в той же пропорции, и ГГе из формулы выпадет. Если величина И не изменилась, то нагруя«енный брусок опять соскользнет при таком лсе наклоне, Определив из опыта угол О, убедимся, что при большем весе бруска скольжение все равно начинается на том же угле наклона. Даже если вес возрос многократно, зто правило соблюдается.

Мы приходим к заключению, что от веса коэффициент тренкя не зависит. Когда проделываешь этот опыт, легко заметить, что при правильном угле наклона О брусок скользит не непрерывно, а с остановками: на одном месте он застрянет, а на другом рванется вперед. Такое поведение есть признак того, что коэффициент трения только грубо можно считать постоянным: он меняется от места к месту. Столь же неуверенное поведение наблюдается и при изменении нагрузки бруска. Различия в трении возникают от разной гладкости или твердости частей поверхности, от грязи, ржавчины и прочих посторонних влияний.

Таблицы, в которых перечислены коэффициенты трения «сталп по стали», «меди по меди» и прочее,— все это сплошное надувательство, ибо в них этими мелочами пренебрегают, а ведь они-то и определякет значение И. Трение «меди о медь» и т. д.— это на самом доле трение «о загрязнения, приставшие к меди». В опытах описанного типа трение от скорости почти не зависит.

Многие верят, что трение, которое нужно преодолеть, чтобы привести предмет в движение (статическоеГ, больше силы, необходимойдля поддержания у»кевозникшегодвнжения(трение скольжения). По на сухих металлах трудно заметить какую- либо разницу. Мнение зто порождено, вероятно, опытамя, в которых прпсутствовалп следы масла илп смазки, а может быть, там бруски закреплялпсь пружинкой нли чем-нибудь гибким, как бы привязываясь к опоре. Очень трудно добиться точности в количественных опытах по трению, н до сей поры трепле не очень хорошо проанализировано, несмотоя на огромное значение такого анализа для техники. Хотя закон г'=)».»' для стандартных поверхностей почти точен, причину такого вида закона на самом деле не понимают.

Чтобы показать, что р мало зависит от скорости, нужны особо тонкие эксперименты, потому что от быстрых колебаний нижней поверхности видимое трепке сильно падает, П опытах па больших скоростях надо заоотиться, чтобы тела не дрожали, а то видимое трение сразу уменьшается, Во всяком случае, этот закон тренин относится к тем полуопып»ым законам, которые поняты не до конца и не становятся понятней, посмотри на огромные усилия. Оценить коэффициент трения между двумя веществами сейчас практически никому пе под силу. Раньше было уже сказано, что попытки измерить р прп скольжении чистых веществ (медь по меди) ведут к сомнительны а розультатам, потому что соприкасающиеся поверхности— нз чистая медь, а смеси окислов и прочих загрязнений. Если мы хотим получить совершенно чистую медь, если мы вычистим и отполируем поверхности, дегазируем вещество в вакууме и соблюдем все необходимые предосторожности, то все равно р мы не получим.

Потому что два куска меди слипнутся, и тогда хоть ставь плоскость торчком! Коэффициент (», для умеренно жестких поверхностей обычно меньший единицы, тут вырастает до нескольких единиц! Причина такого ноожиданного поведения вот в чем: когда соприкасаются атомы одного сорта, то они не могут «знать», что онп принадлежат разным кускам меди. Будь там л»ежду ними другие атомы (атомы окислов, смазки, тонких поворхностпых слоев загрязнений), тогда атомам меди было бы «ясяо», находятся лн они на одном куско илп на разных.

Вспомните теперь, что именно из-за снл притяжения между атомами»»едь является твердым веществом, и вам станет понятно, почому. невозможно правильно определить коэффициент трения длч чистых металлов. То же явление наблюдается в простом домашнем опыте со стеклянной пластинкой п бокалом. Поставьте бокал на пластинку, накиньте на него петлю и тяните; он неплохо скользит и коэффициент трения чувствуется; конечно, этот коэффициент слегка нерегулярен, но все же это коэффициент.

Увлажните теперь пластинку и ножку бокала и потяните; вы почувствуете, что они слиплпсь. Внимательно вглядевшись, можно обнаруяспть даже царапины. Дело в топ, что вода может удалять жпр и прочие вещества, засоряющие поверхность; остается чистый контакт стекло — стекло. Этот контакт настолько хорош, что разорвать его не так-то просто: наруппыь его трудней, чем вырвать кусочки стекла, вот и вознпкшот царапины. ф 3..7гшчнк11.ыгргьыс г;плы А теперь перейдем к характеристике молекулярных спл, Это силы, дсйствучощие между атомамн; имп в конечном счете н вызывается трение. Илас пиеской физике так и не удалось удовлетворительно объясн,гп, молекулярные силы.

Чтобы их полностью понять, почадобпзагь квантовая механика. Эмпирически, однако, спзу, действующую между двумя атомами, можно изобразить примерно так, как на фиг. $2.2, где зта сила Г представлена как функция расстояния г между атомами. Бывают и другие случаи; в молекуле воды, например, отрицательные заряды размещены главным образом на атоме кислорода н центры поло;шыезьных и отрицательных зарядов оказываются не в одной точке, поэтому соседние молекулы испытывают действие сравнительно больших сил. Называют зти силы дгсгголь-дсепозысылги.

Но во многих системах заряды сбалансированы куда лучше, в частности в газообразном кислороде они почти симметричны. В этом случае, хоть минус- и плюс- заряды рассеяны по молекуле, распределение их таково, что центры минус- и плюс-аарядов совпадают. Молекулы, центры которых пе совпадают, пазываготся полярными; произведение заряда на промежуток между центрамн называется дигсозьмьгм леомемтом. У непозярных молекул центры зарядов совпадают. Для пих для всех оказывается, что, хотя суммарньш общий заряд равен нулю, сиза на болыпих расстояниях ощущается как притяжение и изменяется обратно пропорционально седьмой степени удаления, т.

е. Г.=Иг', где 7с — постоянная, зависящая от типа молекул. Почему это так, вы узнаете тогда, когда выучите квантовую механику. У диполей силы притяжения еще Ф и г. 1з.д. Сила, дейсаевутигая между двумя итолтми, как функЧия расстояния между ними. 217 заметнее. И наоборот, если атомы илн молекулы тесно сблизить, они очень сильно отталкиваются; именно по этой причине мы не проваливаемся на нижний этаж! Эти молекулярные силы можно увидеть почти непосредственно и в опыте со скольжением бокала по стеклу, и в опыте с двумя тщательно отшлифованными и пригнанными плоскимн поверхностями. Примером таких поверхностей могут служить плитки Иоганссона, которыми пользуя~топ в машиностроении как стандартами для точных измерений длин.

Если, прижав одну из плиток к другой, осторожно поднять верхнюю плитку, то нижняя тоже поднимется. Ее поднимут молекулярные силы, демонстрируя прямое притяжение атомов одной плитки к атомам другой. И все же эти молекулярные силы притяжения не являются фундаментальными в том смысле, в каком фундаментально тяготение; онп возникают в итоге неимоверно сложного взаимодействия всех электронов и ядер одной молекулы со всеми электронами и ядрами другой. 1?икакой простой формулы, которая бы учитывала все эти сложности, нельзя получить, так что это явление не фундаментальное. Именно потому, что молекулярные силы притягивают на большом удалении и отталкивают па малом (см.

фиг. ?2.2), и существуют твердые тела; их атомы скреплены воедино взаимным притяжением, но держатся все же на расстоянии друг от друга (если их сблизить, сразу включается отталкивание). На том расстоянии Ы, где кривая на фиг. ?2.2 пересекает осы, сила равна нулю„т. е. наступает равновесие; на этом расстоянии и располагается молекула от молекулы. Если молекулы сблизить теснее, чем на расстояние о, то возникает отталкивание, изображенное частью кривой выше оси г.

Характеристики

Список файлов книги