что показывает коэффициент трения скольжения

12.12.202324.07.2023 admin 0 Comments

Формула определения коэффициента трения скольжения

Процесс взаимодействия тел при их относительном движении можно отобразить с помощью формулы трения скольжения. Коэффициент определяется только путём проведённых исследований. Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется трибологией (механикой фрикционного взаимодействия). Определяемый коэффициент является совокупной характеристикой пары материалов, которые не зависят от площади соприкосновения тел.

Краткое описание

Трение можно рассматривать как способ взаимодействия двух объектов. Но у этого процесса есть свои нюансы. Между двумя объектами трение возникает только в результате их соприкосновения с определённой площадью поверхности. Этот процесс попадает под действие третьего закона Ньютона.

Например, если взять 2 небольших бруска из дерева и просто их передвигать, то в итоге можно наблюдать соприкосновение по площадям. Во время эксперимента можно заметить, что двигать предметами относительно друг друга гораздо сложнее, нежели совершать с ними какие-либо манипуляции в воздухе. Именно в этом случае в действие вступает закон трения.

В третьем законе Ньютона описано правило, которое касается того, что по модулю силы равны, но направлены совершенно в разные стороны. Получается, что сила μ является векторной величиной. Этот процесс имеет электромагнитную природу. Трение возникает в результате того, что молекулы и атомы тел, участвующих в соприкосновении, начинают взаимодействовать друг с другом. На этом правиле основано много задач по физике. Латинской буквой k или греческой μ обозначается коэффициент трения.

Сила трения скольжения

Коэффициент трения скольжения показывает отношение μ к силе давления на поверхность. Это правило изучают на уроках физики в 10 классе. Силы трения всегда воздействуют на объекты. Они возникают в результате соприкосновения твёрдых тел, газов и жидкостей, подчиняются закону Ньютона.

Для решения сложных задач нужно понимать, что направление силы трения противоположно движению объекта и факторам, которые стремятся изменить его положение. Исключений не предусмотрено. О процессе трения скольжения можно говорить только тогда, когда тело движется относительно другого объекта. Конечные результаты во многом зависят от следующих факторов:

Итоговый коэффициент во многом зависит от свойств задействованного материала.

Например, чем шероховатее будет поверхность, тем больше станет значение μ. У скользких оснований коэффициент окажется минимальным. Трение во многом зависит от скорости, но этим значением часто пренебрегают, если речь не идет о точных измерениях. По этой причине показатель μ является постоянным.

Правила расчёта

С максимальной точностью силу трения скольжения можно определить с помощью формулы F = µ* N. Значение N рассчитывается как производное массы тела на ускорение свободного падения. Учитывается также косинус угла к поверхности: N = m * g * cosa. Формула коэффициента трения скольжения выглядит следующим образом: µ = F/N.

На уроках физики можно узнать, что для основного количества всех пар материалов коэффициент рассчитывается во время опытов. Значение находится в пределах от 0,1 до 0,5. В такой ситуации μ будет являться переменной величиной.

В физике используются специальные таблицы, в которых указаны переменные величины для каждого из материалов. Но эти данные являются актуальными только при соблюдении определённых условий. Если нужно получить максимально точный результат, тогда следует самостоятельно выполнить расчёты для конкретной ситуации.

Измерительные манипуляции

Динамометр используется для измерения реальных показателей механической силы. Этот прибор включает в себя силовой элемент (пружину) и отчётное звено (линейку). Принцип использования стандартного пружинного динамометра прост. На прибор воздействует сила, которая растягивает либо сжимает упругое звено. Полученное значение фиксируется при помощи измерительной части.

Чтобы правильно найти величину μ, которая передаётся на брусок в процессе его движения по конкретной поверхности, нужно постараться прикрепить к объекту динамометр. Необходимо потянуть устройство за пружину в горизонтальной плоскости.

Чтобы полученный результат не имел погрешностей, нужно следить за тем, чтобы прибор перемещался максимально равномерно и с постоянной скоростью.

На анализируемую величину будут действовать сразу 2 силы, одна из которых препятствует движению бруска, а вторая старается снизить вероятность деформации пружины. Так как движение динамометра равномерное, силы имеют одинаковое значение и уравновешивают друг друга. На измерительной шкале регистрируется показатель упругости пружины, из-за чего полученная величина и будет искомой цифрой.

Проведённый опыт может доказать, что итоговое значение μ во многом зависит от веса задействованного объекта. Если применить дополнительный груз и повторить исследование, тогда можно заметить, что значение на линейке увеличится.

Основные характеристики

Сила трения может рассматриваться как процесс, который возникает в результате соприкосновения двух объектов и препятствует их относительному движению. Основными причинами трения являются специфическая шероховатость трущихся поверхностей и взаимодействие имеющихся молекул. Существует определённый характер фрикционного взаимодействия, который принято делить на несколько категорий:

Многочисленные исследования показали, что для многих пар материалов итоговое значение µ не превышает 1. В противном случае можно говорить, что между контактирующими телами присутствует сила адгезии.

Для решения элементарных задач используется следующая формула: µ = (F + F adhesion)/ N. Значение μ измеряется стандартным образом, никакие дополнительные буквы для обозначения полученного результата не используются (указываются только цифры).

Практическое значение

Трение играет отрицательную роль во многих механизмах, например, в транспортных средствах, двигателях внутреннего сгорания, зубчатых шестеренках. Негативное значение сказывается на снижении коэффициента полезного действия механизма. Смазки, масла на синтетической и натуральной основе позволяют существенно уменьшить силу трения. На многих широко распространённых деталях присутствует защитное напыление.

Если речь идет о миниатюризации МЭМС (микроэлектромеханических систем) и НЭМС (наноэлектромеханических систем), тогда показатель μ будет существенно увеличиваться. Для решения этих проблем используется усовершенствованный подход в рамках трибологии.

Благодаря трению объекты могут перемещаться. Например, при ходьбе неизбежным является сцепление стопы с полом, из-за чего человек отталкивается от поверхности и движется дальше. Аналогичным образом происходит сцепление колёс транспортного средства с дорогой. Для повышения эксплуатационных характеристик автомобилей выпускаются инновационные формы и специальные разновидности резины для колёс. На спортивные машины устанавливают универсальные антикрылья, которые прижимают транспортное средство к трассе.

Ключевые нюансы

Сила трения имеет место и при качении какого-либо тела. Но этим параметром часто пренебрегают, так как итоговые показатели недостаточно велики, чтобы брать их в расчёт. Такой подход позволяет упростить процесс решения различных задач. Но даже в этом случае можно сохранить высокую степень точности итогового результата.

Для закрепления полученных знаний можно изучить пример решения задачи по физике. На пол поставили ящик весом 7 кг. Между этим объектом и напольным покрытием значение μ составляет 0,3. К ящику прикладывают силу, которая соответствует 14 Н. Нужно совершить необходимые расчёты, чтобы понять, можно ли сдвинуть объект с места. Для определения силы реакции необходимо массу ящика умножить на ускорение:

Полученный результат позволяет сделать вывод, что ящик останется на прежнем месте. Это связано с тем, что итоговое значение превышает усилия, приложенные к объекту: 29,4 Н > 14 Н.

Силы трения имеют большое значение в жизни людей и животных.

Благодаря этому явлению человек может ходить и держать в руках различные предметы. За счёт действия закона сцепления на скалах удерживаются огромные валуны и не падают в пропасть, а плетущиеся растения тянутся к солнечному свету и скрепляются с ближайшей опорой.

Люди и животные от природы умеют избавляться от негативного воздействия торможения. К примеру, всё тело рыбы покрыто специальной слизью, что позволяет существенно уменьшить трение о воду. Человек при работе с техникой научился использовать различные смазывающие материалы, благодаря чему увеличивается срок эксплуатации, а также качество работы устройства.

Источник

Лаб. 5

$P, Н$		$\langle P\rangle$	$F = F$					$\langle F\rangle$
Измерения		$\langle P\rangle$	Измерения					$\langle F\rangle$
$1$	$1.6, 1.6, 1.6$		$1.6$	$0.3$	$0.4$	$0.4$	$0.4$	$0.5$	$0.4$
$2$	$2.6, 2.6, 2.6$		$2.6$	$0.6$	$0.7$	$0.6$	$0.6$	$0.7$	$0.64$
$3$	$3.6, 3.6, 3.6$		$3.6$	$0.8$	$0.9$	$0.8$	$0.9$	$0.8$	$0.84$

3. От чего зависит коэффициент трения скольжения дерева по дереву?

Зависит от качества обработки дерева, скорости движения тел.

Выводы: коэффициент трения не зависит от массы тела. Коэффициент трения также зависит от материала, из которого сделано тело. Сила трения скольжения возникает при относительном перемещении соприкасающихся тел. Коэффициент трения скольжения — отношение силы трения и силы нормального давления бруска с грузами.

Как с помощью линейки, бруска с грузами и доски определить коэффициент трения дерева по дереву?

Поставить брусок на доску в горизонтальном положении и медленно наклонять её точно до того момента, когда брусок начнёт движения. Затем измерить угол наклона доски и построить проекцию, силу тяжести в направлениях, параллельном и перпендикулярном доске. Отношение этих проекций и будет искомым коэффициентом.

Источник

Что показывает коэффициент трения скольжения

Когда мы говорим «абсолютно гладкая поверхность» — это значит, что между ней и телом нет трения. Такая ситуация в реальной жизни практически невозможна. Избавиться от трения полностью невероятно трудно.

Чаще при слове «трение» нам приходит в голову его «тёмная» сторона — из-за трения скрипят и прекращают качаться качели, изнашиваются детали машин. Но представьте, что вы стоите на идеально гладкой поверхности, и вам надо идти или бежать. Вот тут трение бы, несомненно, пригодилось. Без него вы не сможете сделать ни шагу, ведь между ботинком и поверхностью нет сцепления, и вам не от чего оттолкнуться, чтобы двигаться вперёд.

Трение — это взаимодействие, которое возникает в плоскости контакта поверхностей соприкасающихся тел.
Сила трения — это величина, которая характеризует это взаимодействие по величине и направлению.

Основная особенность: сила трения приложена к обоим телам, поверхности которых соприкасаются, и направлена в сторону, противоположную мгновенной скорости движения тел друг относительно друга. Поэтому тела, свободно скользящие по какой-либо горизонтальной поверхности, в конце концов остановятся. Чтобы тело двигалось по горизонтальной поверхности без торможения, к нему надо прикладывать усилие, противоположное и хотя бы равное силе трения. В этом заключается суть силы трения.

Откуда берётся трение

Трение возникает по двум причинам:

Виды силы трения

В зависимости от вида трущихся поверхностей, различают сухое и вязкое трение. В свою очередь, оба подразделяются на другие виды силы трения.

Сила трения покоя

Рассмотрим силу трения покоя подробнее.

Обычная ситуация: на кухне имеется холодильник, его нужно переставить на другое место.

Когда никто не пытается двигать холодильник, стоящий на горизонтальном полу, трения между ним и полом нет. Но как только его начинают толкать, коварная сила трения покоя тут же возникает и полностью компенсирует усилие. Причина её возникновения — те самые неровности соприкасающихся поверхностей, которые деформируясь, препятствуют движению холодильника. Поднатужились, увеличили силу, приложенную к холодильнику, но он не поддался и остался на месте. Это означает, что сила трения покоя возрастает вместе с увеличением внешнего воздействия, оставаясь равной по модулю приложенной силе, ведь увеличиваются деформации неровностей.

Пока силы равны, холодильник остаётся на месте:

Сила трения, которая действует между поверхностями покоящихся тел и препятствует возникновению движения, называется силой трения покоя

Сила трения скольжения

Что же делать с холодильником и можно ли победить силу трения покоя? Не будет же она расти до бесконечности?

Зовём на помощь друга, и вдвоём уже удаётся передвинуть холодильник. Получается, чтобы тело двигалось, нужно приложить силу, большую, чем самая большая сила трения покоя:

Теперь на движущийся холодильник действует сила трения скольжения. Она возникает при относительном движении контактирующих твёрдых тел.

Итак, сила трения покоя может меняться от нуля до некоторого максимального значения — Fтр. пок. макс И если приложенная сила больше, чем Fтр. пок. макс, то у холодильника появляется шанс сдвинуться с места.

Теперь, после начала движения, можно прекратить наращивать усилие и ещё одного друга можно не звать. Чтобы холодильник продолжал двигаться равномерно, достаточно прикладывать силу, равную силе трения скольжения:

Как рассчитать и измерить силу трения

Чтобы понять, как измеряется сила трения, нужно понять, какие факторы влияют на величину силы трения. Почему так трудно двигать холодильник?

Самое очевидное — его масса играет первостепенную роль. Можно вытащить из него все продукты и тем самым уменьшить его массу, и, следовательно, силу давления холодильника на опору (пол). Пустой холодильник сдвинуть с места гораздо легче!
Следовательно, чем меньше сила нормального давления тела на поверхность опоры, тем меньше и сила трения. Опора действует на тело с точно такой же силой, что и тело на опору, только направленной в противоположную сторону.

Сила реакции опоры обозначается N. Можно сделать вывод

Второй фактор, влияющий на величину силы трения, — материал и степень обработки соприкасающихся поверхностей. Так, двигать холодильник по бетонному полу гораздо тяжелее, чем по ламинату. Зависимость силы трения от рода и качества обработки материала обеих соприкасающихся поверхностей выражают через коэффициент трения.

Коэффициент трения обозначается буквой μ (греческая буква «мю»). Коэффициент определяется отношением силы трения к силе нормального давления.

Он чаще всего попадает в интервал от нуля до единицы, не имеет размерности и определяется экспериментально.

Можно предположить, что сила трения зависит также от площади соприкасающихся поверхностей. Однако, положив холодильник набок, мы не облегчим себе задачу.

Ещё Леонардо да Винчи экспериментально доказал, что сила трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей при прочих равных условиях.

Сила трения скольжения, возникающая при контакте твёрдого тела с поверхностью другого твёрдого тела прямо пропорциональна силе нормального давления и не зависит от площади контакта.

Этот факт отражён в законе Амонтона-Кулона, который можно записать формулой:

где μ — коэффициент трения, N — сила нормальной реакции опоры.

Для тела, движущегося по горизонтальной поверхности, сила реакции опоры по модулю равна весу тела:

Сила трения качения

Ещё древние строители заметили, что если тяжёлый предмет водрузить на колёсики, то сдвинуть с места и затем катить его будет гораздо легче, чем тянуть волоком. Вот бы пригодилась эта древняя мудрость, когда мы тянули холодильник! Однако всё равно нужно толкать или тянуть тело, чтобы оно не остановилось. Значит, на него действует сила трения качения. Это сила сопротивления движению при перекатывании одного тела по поверхности другого.

Причина трения качения — деформация катка и опорной поверхности. Сила трения качения может быть в сотни раз меньше силы трения скольжения при той же силе давления на поверхность. Примерами уменьшения силы трения за счёт подмены трения скольжения на трение качения служат такие приспособления, как подшипники, колёсики у чемоданов и сумок, ролики на прокатных станах.

Направление силы трения

Сила трения скольжения всегда направлена противоположно скорости относительного движения соприкасающихся тел. Важно помнить, что на каждое из соприкасающихся тел действует своя сила трения.

Бывают ситуации, когда сила трения не препятствует движению, а совсем наоборот.

Представьте, что на ленте транспортёра лежит чемодан. Лента трогается с места, и чемодан движется вместе с ней. Сила трения между лентой и чемоданом оказалась достаточной, чтобы преодолеть инерцию чемодана, и эти тела движутся как одно целое. На чемодан действует сила трения покоя, возникающая при взаимодействии соприкасающихся поверхностей, которая направлена по ходу движения ленты транспортёра.

Если бы лента была абсолютно гладкой, то чемодан начал бы скользить по ней, стремясь сохранить своё состояние покоя. Напомним, что это явление называется инерцией.

Сила трения покоя, помогающая нам ходить и бегать, также направлена не против движения, а вперёд по ходу перемещения. При повороте же автомобиля сила трения покоя и вовсе направлена к центру окружности.

Для того чтобы понять, как направлена сила трения покоя, нужно предположить, в каком направлении стало бы двигаться тело, будь поверхность идеально гладкой. Сила трения покоя в этом случае будет направлена как раз в противоположную сторону. Пример, лестница у стены.