Сила трения

Слабо тянем шкаф — он не движется. Тянем сильнее — всё ещё стоит, а затем начинает скользить. Почему трение сначала как будто меняется вслед за нашей силой? И почему без трения мы не смогли бы нормально ходить?

Если шкаф остаётся в покое при горизонтальной тяге, какое действие её уравновешивает? Пол препятствует относительному сдвигу соприкасающихся поверхностей. Это трение покоя. При слабой тяге его сила равна тяге по модулю и направлена противоположно; увеличим тягу в допустимых пределах — вырастет и трение. Но такая подстройка имеет предел. Когда нужная для равновесия сила его превышает, начинается скольжение.

Вообразим совершенно скользкий пол. Нога пытается оттолкнуться назад, но уезжает и почти не разгоняет человека вперёд. На обычном полу при толчке стопа не скользит: она действует на землю назад, а земля через трение покоя действует на стопу вперёд. Значит, фраза «трение всегда направлено против движения тела» неверна. Нужно спрашивать, как контактирующие поверхности скользят или попытались бы скользить друг относительно друга.

Теперь шкаф уже скользит вправо по неподвижному полу. Трение скольжения пола действует на шкаф влево, против относительного скольжения; его модуль измеряют в ньютонах. Если же брусок положить на движущуюся вправо ленту, которая проскальзывает под ним, трение может разгонять брусок вправо. Направление снова определяется относительным движением поверхностей, а не только направлением скорости бруска относительно комнаты.

Прижмём скользящий ластик к столу сильнее — тянуть его обычно станет труднее. Для описания прижатия используем реакцию опоры N: силу, с которой опора действует на тело перпендикулярно своей поверхности. Здесь N — обозначение силы, а единица — ньютон. На горизонтальном столе без других вертикальных сил и ускорения N = mg. Дополнительное нажатие увеличивает N; наклон опоры или иные воздействия требуют отдельно рассмотреть силы.

В опытах с сухими поверхностями силу трения скольжения часто приближённо описывает Fтр = μN. Безразмерный коэффициент μ зависит от пары материалов и состояния поверхностей. При прежнем μ удвоение прижатия N удваивает трение; уменьшение μ уменьшает его при том же прижатии. Так формула отделяет два способа изменить сопротивление: сменить поверхность или силу прижатия. Это опытная модель, а не точный закон для любого контакта и любой скорости.

Может ли на лежащий без горизонтальных воздействий брусок действовать трение μN только потому, что он касается стола? Нет: необходимости уравновешивать горизонтальную силу нет, и трение покоя может быть нулевым. Формула Fтр = μN здесь относится к скольжению. В этой простой модели видимая площадь контакта прямо не входит в расчёт: переворот бруска другой гранью не обязан менять трение при том же N и μ. Реальные поверхности могут выходить за пределы такого приближения.

Поставим груз на колёса вместо волочения по полу. Контакт больше не требует непрерывного скольжения всей нижней поверхности, поэтому перевозка обычно легче. Однако колесо и опора немного деформируются при качении, и часть затрат не возвращается движению — возникает сопротивление качению. Оно обычно меньше трения скольжения при сопоставимых условиях. Сцепление колеса с дорогой при этом остаётся нужным: без него трудно разогнаться, затормозить и повернуть.

Ящик скользит; N = 60 Н, μ = 0,25. Найдите силу трения.

Скольжение уже происходит, поэтому применима модель Fтр = μN.

Fтр = 0,25·60 Н = 15 Н. Коэффициент безразмерен, поэтому результат в ньютонах.

Сила направлена против движения ящика относительно поверхности.

15 Н против относительного скольжения.

Направление трения определяется относительным скольжением или его возможным началом; трение может разгонять тело.

Трение покоя подстраивается под другие силы до предела и может быть нулевым.

Fтр = μN описывает сухое скольжение приближённо; сначала выясни вид контакта и реакцию опоры.

Одна сила по-разному действует на большую и малую площадь. Это приведёт нас к давлению.