Страница 109 — Глава 2. Взаимодействие тел. § 32. Сила трения

Сила трения проявляется всюду, где одно тело движется по поверхности другого или пытается начать движение. Пример 1: шайба, пущенная по льду, постепенно замедляется и останавливается, хотя на неё в горизонтальном направлении ничто, кроме трения, не действует. Пример 2: велосипедист, перестав крутить педали, плавно останавливается, потому что его тормозят трение качения колёс о дорогу и трение в подшипниках. Пример 3: спичка загорается, если чиркнуть ею о коробок, — при трении поверхности нагреваются. Пример 4: ладони при быстром потирании становятся тёплыми, а резкое скольжение по канату обжигает руки. Во всех случаях скорость тела уменьшается или тело нагревается без других видимых причин, что и доказывает существование силы трения.

Причин две. Во-первых, любая поверхность, даже кажущаяся гладкой, имеет микроскопические шероховатости и трещины. При движении одного тела по другому выступы зацепляются друг за друга, сминаются и мешают скольжению. Во-вторых, у очень гладких, хорошо отполированных поверхностей молекулы соприкасающихся тел оказываются на столь малых расстояниях, что начинают проявляться силы межмолекулярного притяжения; они тоже препятствуют движению. Сила трения направлена против скорости движения тела и возникает именно из-за такого взаимодействия поверхностей.

Смазку применяют для уменьшения силы трения. Слой смазки разъединяет поверхности трущихся тел и заполняет их трещины, поэтому поверхности соприкасаются не между собой, а со смазкой. В технике используют в основном жидкие масла: в жидкостях молекулы взаимодействуют слабее, чем в твёрдых телах, поэтому слои жидкости легко смещаются друг относительно друга. В результате уменьшаются износ деталей, нагрев и затраты энергии на преодоление трения (например, смазывают цепь велосипеда, поршни и валы двигателей).

По характеру движения тела различают трение скольжения и трение качения. Трение скольжения возникает, когда одно тело скользит по поверхности другого (санки по снегу, брусок по столу, лыжи по лыжне). Трение качения возникает при движении колёсного транспорта (поезда, автомобили, велосипеды), при перекатывании брёвен, валов, шариков. Кроме того, существует трение покоя, которое проявляется, когда тело остаётся неподвижным, несмотря на приложенную к нему силу (параграф 33).

Силу трения скольжения измеряют динамометром. К бруску прикрепляют динамометр и, держа его горизонтально, равномерно тянут брусок по поверхности стола. На брусок в горизонтальном направлении действуют две силы: сила упругости пружины динамометра, направленная по движению, и сила трения, направленная против движения. Если брусок движется равномерно (с постоянной скоростью), силы уравновешивают друг друга: они равны по модулю и противоположны по направлению. Поэтому показание динамометра, то есть модуль силы упругости пружины, равно модулю силы трения. Для надёжности измерение повторяют несколько раз и берут среднее значение. Например, если динамометр показывает 1,2 Н, то сила трения скольжения равна 1,2 Н. Важно двигать брусок именно равномерно: при ускоренном движении показание не равно силе трения.

Приборы: самодельный динамометр, деревянный брусок, гладкая горизонтальная доска или стол, набор грузов (например, два одинаковых груза по 100 г).
Ход опыта. 1. Прикрепите динамометр к бруску и равномерно потяните брусок по доске, держа динамометр горизонтально. Запишите показание, оно равно силе трения скольжения. 2. Положите на брусок один груз и снова равномерно протяните брусок; запишите показание. 3. Положите два груза и повторите измерение. Каждое измерение делайте по 2–3 раза и берите среднее.
Типичный результат (значения зависят от прибора): брусок массой 200 г без груза — 0,6 Н; с одним грузом 100 г (общая масса 300 г) — 0,9 Н; с двумя грузами (общая масса 400 г) — 1,2 Н.
Вывод: чем больше сила, прижимающая брусок к поверхности (вес бруска с грузом), тем больше сила трения скольжения; при увеличении прижимающей силы вдвое сила трения возрастает примерно вдвое.

Уменьшить силу трения скольжения можно так: 1) сделать поверхности более гладкими (положить книгу на полированную или покрытую плёнкой поверхность); 2) нанести тонкий слой смазки (например, капнуть немного масла на стол, подложить лист гладкой бумаги или натереть поверхность мылом или парафином); 3) заменить трение скольжения трением качения — подложить под книгу несколько круглых карандашей или маленькие катки; 4) уменьшить силу, прижимающую книгу к столу (например, убрать лежащие на ней предметы, тянуть книгу вверх под небольшим углом).
Увеличить силу трения можно наоборот: 1) положить на книгу груз и тем самым увеличить прижимающую силу; 2) подложить под книгу шероховатую поверхность — ткань, наждачную бумагу, резиновый коврик; 3) сделать поверхность стола шероховатой, убрав смазку и грязь.

Приборы: динамометр, брусок с грузом, поверхности из разных материалов (деревянная доска, лист стекла или гладкой пластмассы, кусок наждачной бумаги, мягкая ткань).
Ход опыта. Положите брусок с грузом на деревянную доску и равномерно протяните его динамометром, держа динамометр горизонтально; запишите показание. Затем, не меняя бруска и груза (то есть сохраняя прижимающую силу), проведите те же измерения на стекле, наждачной бумаге и ткани.
Типичный результат (зависит от материалов): дерево — 1,0 Н; стекло — 0,5 Н; наждачная бумага — 2,0 Н; ткань — 1,5 Н.
Вывод: при одинаковой прижимающей силе показания динамометра различаются, значит, сила трения скольжения зависит от материала и качества обработки соприкасающихся поверхностей: она меньше для гладких поверхностей и больше для шероховатых.