Сили сухого тертя

Ще одним проявом міжмолекулярних взаємодій є сили тертя ковзання – сили, що виникають при відносному русі двох тіл і спрямовані вздовж кордону їхнього зіткнення.

Одна з причин появи тертя очевидна – поверхні взаємодіючих тіл не є ідеально гладкими, мікроскопічні виступи і западини зачіпляються один за одного, в них виникають сили пружності, спрямовані вздовж поверхні зіткнення (рис. 67).

Однак тільки ця причина не пояснює всіх властивостей і характеристик тертя. Зокрема для більшості речовин поліпшення полірування поверхонь призводить не до зменшення, а збільшення тертя. Для шорстких поверхонь площа реального контакту, де діють міжмолекулярні сили прилипання, не велика (ці ділянки розташовуються в районах виступів), при поліровці поверхонь площі цих областей збільшуються, що і призводить до збільшення сил тертя. Розглянуте тут явище називають також сухим тертям.

Слід зазначити, що закінчена теорія сил сухого тертя до теперішнього часу не побудована. Тому закони, що описують аналізований вид взаємодії носять експериментальний (емпіричний) характер. Найбільш простий вид закону, що описує силу тертя ковзання, встановлений експериментально і носить назву закону Кулона-Амонтона. Це закон стверджує, що сила тертя ковзання пропорційна силі нормальної реакції [1] взаємодіючих тіл і спрямована в бік, протилежний швидкості відносного руху тіл (ріс.68)

Fmp = μN Fmp = μN, (1)
безрозмірний коефіцієнт пропорційності (званий коефіцієнт тертя) μ залежить від матеріалу дотичних поверхонь і ступеня їх обробки. Як правило, цей коефіцієнт визначається експериментально. Як вже було зазначено, закон Кулона-Амонтона наближений – так коефіцієнт тертя може незначно залежати від швидкості, причому, як правило, із зростанням швидкості коефіцієнт тертя незначно зменшується. З наведеного закону випливає, що сила тертя не залежить від площі дотичних тіл, експериментально ж, така залежність іноді спостерігається. Однак ці зазначені особливості незначно впливають на величину сили тертя, тому частіше ними нехтують і користуються наближеною формулою (1). Підкреслимо, що як будь-яка інша сила, сила тертя є характеристикою взаємодії тіл, тому відповідно до 3 законом Ньютона, слід говорити про силах тертя діючих на кожне з дотичних тіл.

На закінчення вкажемо ще одну інтерпретацію коефіцієнта сухого тертя. При русі одного тіла по поверхні іншого сумарна сила взаємодії тіл F⃗ reac F → reac розкладається на силу нормальної реакції N⃗ N → і силу тертя F⃗ mp F → mp (рис. 69). Якщо величина сили тертя визначається формулою (1), то кут α між сумарною силою реакції і нормаллю до поверхні задовольняє умові tg α = μ.

Сила тертя може виникнути і в тому випадку, коли тіла не рухаються один щодо одного, таку силу називають силою тертя спокою. Повсякденний досвід вказує, що для того щоб зрушити одне тіло відносно іншого, необхідно докласти силу, що перевищує певний порогове значення (згадайте, наприклад, свої досліди з перетягування меблів). Якщо ж до тіла прикласти силу меншу, то тіло залишається в спокої, отже, ця прикладена сила F⃗ F → компенсується рівної їй силою тертя спокою. Таким чином, сила тертя спокою може приймати максимальне значення, після чого тертя спокою переходить в терен ковзання. Наближено можна вважати, що максимальна сила тертя спокою дорівнює силі тертя ковзання і визначається формулою (1). Однак, як правило, максимальна сила тертя спокою перевищує силу тертя ковзання на 10% -20%., Тому в деяких випадках вводять коефіцієнт тертя спокою, трохи перевищують коефіцієнт тертя спокою. Надалі, цим розходженням ми будемо нехтувати.

Так колесо, розташоване на горизонтальній поверхні деформує останню. При русі колеса деформації не встигають відновитися, тому колесу, доводиться, як би весь час підійматися на невелику гірку, через що з’являється момент сил, гальмуючий кочення (рис. 72). Непружні деформації колеса також призводять до появи гальмують сил.

Таким чином, сили тертя кочення визначаються пружними властивостями взаємодіючих тіл. Закон для сили тертя також є експериментальним і наближеним, його прийнято записувати у формі

Ftr.kach. = KRN Ftr.kach. = KRN, (2)
де N – сила нормальної реакції, R – радіус катящегося тіла, k – коефіцієнт тертя кочення, що має розмірність довжини. При записі формули в такій формі, коефіцієнт тертя кочення визначається, головним чином, матеріалом взаємодіючих тіл і не залежить від радіуса катящегося тіла. Зауважимо, що для одних і тих же тіл тертя кочення, як правило, у багато разів менше тертя ковзання, що вам добре відомо з повсякденного досвіду.

Посилання на основну публікацію