Сила трения (ЕГЭ-ОГЭ)

При относительном движении двух контактирующих тел силы трения, возникающие при их взаимодействии, делятся на:

• Трение скольжения — сила, возникающая при поступательном движении одного из контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого и направленная в сторону, противоположную скольжению.
• Трение качения — момент сил, образующийся при качении одного из двух контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого.
• Трение покоя — сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая началу их относительного движения. Для того чтобы вызвать смещение тел друг относительно друга, её нужно преодолеть. Эта сила появляется при микроперемещениях (например, при деформации) контактирующих тел и действует в направлении, противоположном возможному относительному движению.
  

  Когда тело остаётся неподвижным, на него действует сила трения покоя. По мере роста приложенной силы увеличивается нагрузка, пока блок не сдвинется. Как только блок начинает двигаться, на него действует сила трения скольжения, величина которой меньше максимальной силы трения покоя.

• сухое — такое взаимодействие твёрдых тел, при котором между ними отсутствуют дополнительные слои или смазки (в том числе твёрдые) — довольно редкий на практике случай; ключевая особенность сухого трения — наличие значительной силы трения покоя;
• жидкостное (вязкое) — возникающее при взаимодействии тел, разделённых слоем твёрдого вещества (порошком графита), жидкости или газа (смазки) различной толщины — как правило, проявляется при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость; величину вязкого трения определяет вязкость среды;

В упрощённой модели сухого трения справедливы следующие законы. Они обобщают экспериментальные наблюдения и имеют приближённый характер.

1. Максимальная сила трения покоя равна силе трения скольжения.
2. Величина силы трения скольжения прямо пропорциональна силе реакции опоры: ${\displaystyle f=\mu N}$. Коэффициент пропорциональности ${\displaystyle \mu }$ называется коэффициентом трения.
3. Коэффициент трения не зависит от скорости движения тела по шероховатой поверхности.
4. Коэффициент трения не связан с площадью соприкасающихся поверхностей.

Достаточно этих закономерностей для решения типовых задач.

При расположении тела на наклонной плоскости нормальная к поверхности сила тяжести оказывается меньше ${\displaystyle mg}$, поскольку лишь часть силы тяжести действует перпендикулярно плоскости. Нормальная сила и сила трения рассчитываются с использованием векторного анализа^[1].

Если два параллельных плоских тела площадью S каждое, разделённые небольшим зазором h, движутся в одной плоскости со взаимной скоростью ${\displaystyle {\vec {v}}}$, а промежуток между ними заполнен жидкостью или газом, то на каждое тело действуют силы, в простейшем случае прямо пропорциональные относительной скорости ${\displaystyle {\vec {v}}}$ и площади S, и обратно пропорциональные расстоянию h:

${\displaystyle {\vec {F}}\sim -{\frac {{\vec {v}}\cdot S}{h}}.}$

Пропорциональный коэффициент, зависящий от свойств жидкости или газа, носит название коэффициент динамической вязкости. Этот закон был выдвинут Исааком Ньютоном и известен как закон вязкости Ньютона. Экспериментальное подтверждение закона в начале XIX века было получено Кулоном при помощи крутильных весов^[2].

Такую силу называют силой вязкого трения. В отличие от сухого трения, она пропорциональна скорости, поэтому при наличии лишь вязкого трения и сколь угодно малой внешней силы тело непременно придёт в движение, то есть для вязкого трения не существует трения покоя.

Коэффицие́нт тре́ния, обычно обозначаемый греческой буквой µ, представляет собой безразмерную скалярную величину, определяемую как отношение силы трения между двумя телами к силе их взаимного прижатия в ходе или при начале скольжения. Значение коэффициента трения зависит от сочетания материалов: лёд обладает низким коэффициентом при трении о сталь, а резина — высоким при скольжении по дорожному покрытию. Диапазон коэффициентов трения простирается от почти нуля до значений, превосходящих единицу. Между металлическими поверхностями одного и того же металла коэффициент трения выше, чем между поверхностями разных металлов — например, тефлон по тефлону может иметь более высокий коэффициент, чем латунь по стали или алюминию^[3].

Поскольку коэффициент трения является эмпирической величиной, его определяют только путём экспериментальных измерений, и он не может быть установлен расчётным путём^[4]. Более шероховатые поверхности, как правило, имеют более высокие эффективные коэффициенты трения. Оба — статический и кинетический коэффициенты — зависят от конкретной пары материалов: для заданной пары коэффициент трения покоя обычно превосходит кинетический, однако в некоторых наборах оба коэффициента совпадают, например, тефлон по тефлону.

Для большинства сухих материалов коэффициент трения лежит в пределах 0,3—0,6. Значения за пределами этого диапазона встречаются реже, однако тефлон способен иметь коэффициент порядка 0,04. Нулевое значение означало бы полное отсутствие трения, что не наблюдается на практике. Резина при контакте с различными поверхностями может демонстрировать коэффициент трения от 1 до 2. Порой утверждают, что µ всегда меньше единицы, но это неверно. Хотя в большинстве случаев µ <1, значение выше единицы лишь указывает на то, что сила, необходимая для скольжения тела по поверхности, превосходит нормальную нагрузку. К примеру, покрытия из силиконового или акрилового каучука могут обладать коэффициентом трения значительно выше единицы.

В отличие от присущих материалу свойств (таких как проводимость, диэлектрическая проницаемость, предел текучести), коэффициент трения для любой пары материалов определяется системными условиями, такими как температура, скорость, атмосфера, а также особенностями границы раздела материалов, например структуры их поверхностей.

При определённых обстоятельствах некоторые вещества демонстрируют крайне низкие коэффициенты трения. Так, (высокоупорядоченный пиролитический) графит способен иметь значение коэффициента трения ниже 0,01.