Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 1. Механика (1111909), страница 26

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

Текст из файла (страница 26)

Если же трение проявляется между различными частями одного и того же тела, например между различными слоями жидкости или газа, скорости которых непрерывно меняются от слоя к слою, то трение называется внутренним. Впрочем, разделение трения на внутреннее и внешнее носит условный характер. Если соприкасающиеся тела объединить в одну механическую систему, то трение, которое ранее рассматривалось как внешнее, становится внутренним. Сила трения, испытываемая твердым телом при движенпи в жидиости (или газе), есть сила внутреннего трения в жидкости, 1О1 О ЗАКОНАХ ТРЕНИЯ л 171 а не внешнего трения между жидкостью и твердым телом. Действительно, опыт показывает, что слои жидкости или газа, непосредственно примыкающие к поверхности тела, прилипают к ней и движутся вместе с телом, а трение возникает в окружающей среде между различными слоями ее, соприкасающимися друг с другом.

Трение между поверхностями двух соприкасающихся твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки (смазки) называется сухим. Применительно к этому случаю, когда соприкасающиеся тела движутся друг относительно друта, различают трение скольжения и трение качения. Трение между поверхностью твердого тела и окружающей его жидкой или газообразной средой, в которой оно движется, а также трение между различными слоями такой среды, называется жидким или вязким. 2. Рассмотрим сначала законы сухого трения. Такое трение возникает не только при скольжении одного тела по поверхности другого, ио и при всякой попытке вызвать такое скольжение.

В послед- ел нем случае трение называется трением покоя или трением сцепления. Наличие трения покоя — характерная гл особенность сухого трения. В более В общем смысле, безотносительно к тому, между какими телами возникает тре- р ние, оно называется сухим, если силы трения ие исчезают при обращении в нуль относительных скоростей соприкасающихся тел. В противоположном случае трение называется жидким.

Положим тяжелый брусок на поверхность горизонтального стола (рис. 27). В состоянии покоя вес бруска Р уравновешен силой нормального давления ~„, с которой на брусок действует стол (Р = )"„). Приложим затем к бруску горизонтальную силу ~, лежащую в вертикальной плоскости, проходящей через есо центр масс, как можно ближе к поверхности стола, чтобы предотвратить опрокидывание бруска, когда он придет в движение, Опыт показывает, что если сила ) не превосходит некоторой опреДеленной величины ~ь (1'( 1ь), то бРУсок не пРихоДит в Движение. Отсюда следует сделать вывод, что на брусок со стороны стола действует равная и противоположно направленная сила ~,, уравновешивающая силу Г. Это и есть сила трения, а именно трения покоя.

Такая же сила трения, но в противоположном направлении, действует на поверхность стола со стороны бруска. Сила трения покоя автоматически принимает значения, равные внешней силе ~. Максимальное значение силы трения покоя равно (ь. Допустим теперь, что брусок скользит по поверхности стола со скоростью и. При равномерном движении действующая сила (" по-прежнему уравновешивается силой трения ~,р. Если равно- 102 ВАКОНЫ НЬЮТОНА [Гл. ц весия нет, то движение будет ускоренным. В обоих случаях величина силы трения ),р, вообще говоря, зависит от скорости о. Характер этой зависимости графически изображен на схематическом рис. 28.

Сила трения, приложенная к поверхности бруска, всегда действует против направления движения последнего. На графике это отражено тем, что знаки величин ),р н о всегда противоположны. При о =- 0 график вырождается в отрезок вертикальной прямой. Этому соответствует тот факт, что сила трения покоя может принимать любое значение от — [р до +!р. При увеличении абсолютной величины скорости абсолютная величина силы трения сначала убываег, проходит через минимум, а затем начинает возрастать.

Вся кривая симметрична относительно начала координат ()( + о) =- = — 1( — о)]. Как экспериментально установил Кулон (1736 — 1808), Рис. 28. Рнс. 29. величина силы трения ),р не зависит от величины площади поверхности, вдоль которой тела соприкасаются, и пропорциональна силе нормального давления )„, с которой одно тело действует на другое. Поэтому можно написать )..=И' (1 7.!) Постоянная р называется коэффициентом трения и зависит от природы и состояния трущихся поверхностей. Если тело действительно скользит по поверхности другого тела, то р называют «аэффициентом трения е«олэр«ения.

Если же тела покоятся друг относ1ггельио друга, то его называют коэффициентом трения покоя. В последнем случае предполагается, что в формуле ),р равно 1„ т. е. максимальному значению, которое может принимать сила трения покоя. В соответствии с рис. 28 коэффициент трения р, вообще говоря, зависит от величины скорости о. Впрочем, как также установил Кулон, эта зависимость, как правило, выражена слабо, так что, когда не требуется большая точность, коэффициент р можно считать независящим от скорости.

Тогда кривая рис, 28 вырождается ]оз $17] О ЗАКОНАХ ТРЕНИЯ в кривую рис. 29. Сила трения и в этом идеализированном случае зависит от о, поскольку при переходе скорости через нуль она меняет знак, а при и == 0 становится неопределенной.

Во всех задачах на силы трения, приводимых в конце этого параграфа, предполагается, что р не зависит от о. Независимость силы трения покоя от площади соприкосновения тел можно демонстрировать с помощью следующего опыта. Брусок (например, кирпич], имеющий форму прямоугольного параллелепипеда, кладется различными гранями на наклонную плоскость.

Увеличивая угол наклона наклонной плоскости, па опыте убеждаемся, что скольжение начинается прн одном и том же угле, независимо от того, какои гранью брусок был положен на наклонную плоскость. 3. При наличии сухого трения тело может находиться в состоянии покоя, даже если на него подействовать какой-либо силой. Если пРиложеннаи сила ] не пРевосхоДит максимального значениЯ ]асилы трения покоя, то тело не придет в движение. С этой особенностью сухого трения связано так называемое явление застоя. Допустим, например, что тело А, лежащее на поверхности горизонтального стола, находится в равновесии, А когда обе прикрепленные к нему пружины не растянуты или растянуты одинаково (рис.

30). В этом положении сила, действующая на тело А, равна нулю. Сместим тело А из положения равновесия в ту или другую сторону. Если сила ], действующая со стороны растянутых пружин, не превосходит ]а, то тело А и в новом положении останется в равновесии. На поверхности стола не существует определенного положения равновесия тела. Напротив, существует область, при смещении в пределах которой тело остается в равновесии. Эта область называется обласптью застоя. Сухое трение, действующее, например, в подшипниках измерительных приборов со стрелками, ограничивает чувствительность таких приборов.

Наличие же области застоя делает неопределенным положение равновесия, в котором устанавливается стрелка при измерениях, т. е. ограничивает точность измерения. 4. Во многих случаях силы трения оказываются полезными. Так, автомобиль приводится в движение силами трения, действующими между шинами колес и полотном дороги. Силы трения приводят в движение поезда. Силы трения, возникающие между приводным ремнем и шкивами, осуществляют передачу движения от одного маховика к другому. Подобных примеров можно привести неограниченно много.

Но сплошь и рядом силы трения являются вредными. Таковы, например, силы трения, возникающие между осью и втулкой, а также между другими деталями машины. Они приводят к преждевременному износу машин, и с ними приходится бороться. Для этой цели применяется смазка. Однако более радикальным ЗАКОНЫ НЬЮТОНА !Гл. н способом уменыпения сил трения является замена трения скольжения трением качения (шарикоподшипники). Под трением качения понимают трение, возникающее, например, между шарообразным или цилиндрическим телом, катящимся без скольжения по плоской нлн изогнутой поверхности. Трение качения формально подчиняется тем же законам, что и трение скольжения.

Однако коэффициент трения при качении значительно меньше, чем прн скольжении. Наиболее радикальным способом уменьшения сил трения, который за последнее время начинает получать все большее и большее распространение, является создание «воздушной подушки» между соприкасающимися поверхностями. 5. Как уже говорилось выше, в отличие от сил сухого трения, силы жидкого или вязкого трения обращаются в нуль вместе с относительными скоростями между соприкасающимися слоями среды.

Характеристики

Список файлов книги