Действие силы трения в природе и технике (ЕГЭ-ОГЭ)

Сила трения — это сила, возникающая при соприкосновении двух тел и препятствующая их относительному движению. Причиной возникновения трения является шероховатость трущихся поверхностей и взаимодействие молекул веществ, образующих эти поверхности. Сила трения зависит от материала трущихся поверхностей и от того, насколько сильно эти поверхности прижаты друг к другу. В простейших моделях трения (закон Кулона для трения) считается, что сила трения прямо пропорциональна силе нормальной реакции между трущимися поверхностями^[2]. В целом же, в связи со сложностью физико-химических процессов, протекающих в зоне взаимодействия трущихся тел, процессы трения принципиально не поддаются описанию с помощью простых моделей классической механики^[3].

Коэффициент трения равен отношению силы предельного трения к нормальной реакции поверхности:

${\displaystyle \mu ={\frac {F_{s}}{R}}}$,

где ${\displaystyle F_{s}}$ — сила предельного трения, ${\displaystyle R}$ — нормальная реакция поверхности.

Трение играет очень важную роль в живой природе — на земле, в воде и в атмосфере (если мы говорим только о Земле и околоземном пространстве).

Насекомые, ящерицы и мелкие животные способны перемещаться по вертикальным стенам, стволам деревьев и скалам; вьющиеся растения благодаря трению способны зацепляться за любые опоры (камень, ствол, стена, кора других деревьев); лесные пожары могут возникать от того, что стволы деревьев трутся друг о друга (пожары не всегда полезны, но тут имеются ввиду причины их возникновения, одна из которых — трение).

Вода в реках испытывает трение о русло, что способствует направленному потоку воды, во время плавания человека в воде он преодолевает трение о жидкость, коралловые рифы медленно движутся по морскому дну, птицы, летучие мыши летают по воздуху частично благодаря трению о воздух (точнее, их крылья в результате эволюции приобрели форму, при которой трение о воздух минимально). Космические тела, попадая в атмосферу Земли, нагреваются и сгорают, многие не достигая поверхности Земли (метеоры), что спасает растения, животных и человека от последствий их падения.

В большинстве традиционных механизмов (ДВС, автомобили, зубчатые шестерни и пр.) трение играет отрицательную роль, уменьшая КПД механизма. Для уменьшения силы трения используются различные натуральные и синтетические масла и смазки. В современных механизмах для этой цели используется также напыление покрытий (тонких плёнок) на детали. С миниатюризацией механизмов и созданием микроэлектромеханических систем (МЭМС) и наноэлектромеханических систем (НЭМС) величина трения по сравнению с действующими в механизме силами увеличивается и становится весьма значительной, и при этом не может быть уменьшена с помощью обычных смазок, что вызывает значительный теоретический и практический интерес инженеров и учёных к данной области. Для решения проблемы трения создаются новые методы его снижения в рамках трибологии и науки о поверхности.

Наличие трения обеспечивает возможность перемещаться по поверхности. Так, при ходьбе именно за счёт трения происходит сцепление подошвы с полом, в результате чего происходит отталкивание от пола и движение вперёд. Точно так же обеспечивается сцепление колёс автомобиля (мотоцикла) с поверхностью дороги. В частности, для улучшения этого сцепления разрабатываются новые формы и специальные типы резины для покрышек, а на гоночные болиды устанавливаются антикрылья, сильнее прижимающие машину к трассе. Трение воды в водопроводных трубах требует подкачки специальными насосами. Трение не позволяет чернилам вытечь из авторучек, и т. д.