Сухое трение

Сила сухого трения направлена по касательной к соприкасающимся поверхностям противоположно относительному перемещению тел^[1][2]. Силы трения одновременно вызывают износ деталей машин и потери энергии и обеспечивают возможность движения транспорта, работу тормозных и передающих механизмов^[3]. По характеру относительного движения тел сухое трение подразделяют на три вида: трение покоя, трение скольжения и трение качения. Сила трения зависит от силы нормальной реакции опоры и коэффициента трения.

Сила нормальной реакции опоры определяется как результирующая сила, сжимающая две параллельные поверхности вместе, а её направление перпендикулярно этим поверхностям.

Коэффициент трения — это эмпирическое (экспериментально измеренное) структурное свойство, которое зависит от аспектов контактирующих материалов, таких как шероховатость поверхности. Представляет собой безразмерную скалярную величину, которая равна отношению силы трения между двумя телами и силы, прижимающей их друг к другу. Коэффициент трения зависит от используемых материалов

Основные закономерности сил сухого трения описываются эмпирическим законом Амонтона — Кулона.

Трение скольжения

Трение скольжения (кинетическое трение) — сила сухого трения, возникающая между поверхностями двух тел при их относительном скольжении^[1]. По закону Амонтона — Кулона модуль силы трения скольжения пропорционален модулю силы нормального давления и не зависит от площади соприкосновения:

${\displaystyle F_{\text{тр}}=\mu N,}$

где ${\displaystyle \mu }$ — коэффициент трения скольжения^[1]. Направление силы трения скольжения противоположно направлению относительной скорости тел.

Коэффициент трения скольжения, как правило, несколько меньше коэффициента трения покоя между теми же поверхностями^[4].

Коэффициенты трения для различных материалов^[7]

Контактирующие поверхности	Максимальный коэффициент трения покоя	Коэффициент трения скольжения
Резина по сухому бетону	1,0	0,8
Резина по мокрому бетону	0,7	0,5
Сталь по стали (сухие, чистые)	0,80	0,60
Алюминий по алюминию (чистые, сухие)	1,05 — 1,35	0,4
Алюминий по стали	0,61	0,47
Медь по стали	0,53	0,36
Латунь по стали (чистые, сухие)	0,51	0,44
Дерево по дереву	0,25 — 0,50	0,2
Стекло по стеклу (сухие)	0,94	0,4
Лёд по льду	0,10	0,03
Тефлон по тефлону (в воздухе)	0,04	0,04

Основные экспериментальные закономерности сил сухого трения, обобщающие приведённые выше формулы, известны как закон Амонтона — Кулона^[1]:

1. Модуль силы сухого трения покоя может принимать значения от нуля до некоторого максимального значения.
2. Модуль силы сухого трения скольжения равен максимальному значению модуля силы сухого трения покоя.
3. Модуль силы сухого трения скольжения пропорционален модулю силы нормального давления: ${\displaystyle F_{\text{тр}}=\mu N}$, где коэффициент трения ${\displaystyle \mu }$ не зависит от силы нормального давления, а определяется только материалом и состоянием поверхностей трущихся тел.
4. Сила сухого трения скольжения направлена противоположно относительной скорости движения тел.

Закон установлен экспериментально французским физиком Гийомом Амонтоном в 1699 году и уточнён Шарлем Огюстеном Кулоном в 1781 году.

Во многих механизмах трение играет отрицательную роль, уменьшая КПД механизма. В связи с этим широко используется смазка, значительно снижающая фрикционные потери. Тем не менее, только благодаря трению (сцеплению с поверхностью) возможно передвижение человека и наземного транспорта, работа тормозных систем, ремённых передач, фрикционных муфт и многого другого. Для улучшения этого сцепления разрабатываются новые материалы, новые формы покрышек, а при проектировании аэродинамики спортивных автомобилей используются формы, прижимающие автомобили к поверхности дороги.

⚠️ Подсказка для ЕГЭ: Виды трения

Для успешной сдачи ЕГЭ по теме «Сухое трение» необходимо чётко различать три вида сухого трения — покоя, скольжения и качения.

Основные формулы:

• Трение скольжения: ${\displaystyle F_{\text{тр}}=\mu N}$ (коэффициент ${\displaystyle \mu }$ безразмерный).
• Трение покоя: ${\displaystyle F_{\text{тр.п}}\leq \mu _{0}N}$.
• Трение качения: ${\displaystyle F_{\text{тр.к}}=k\,{\frac {N}{r}}}$ (коэффициент ${\displaystyle k}$ имеет размерность длины).

Практикуемое допущение: В расчетных задачах школьного курса максимальный коэффициент трения покоя приравнивается коэффициенту трения скольжения.

Расчет силы реакции опоры:

Для нахождения силы реакции опоры необходимо рассчитать проекцию суперпозиции всех внешних сил (включая силу тяжести) на ось, перпендикулярную поверхности опоры. В случае, если результирующая сила направлена на опору, со стороны опоры (согласно третьему закону Ньютона) действует сила реакции, равная по модулю и противоположная по направлению. В простом случае, когда масса лежит на горизонтальной поверхности, единственной составляющей нормальной силы является сила тяжести, ${\displaystyle N=mg\,}$.

Важно помнить:

• Сила трения направлена противоположно относительной скорости.
• Если тело покоится, сила трения равна приложенной внешней силе (но не превышает ${\displaystyle \mu _{0}N}$).
• Если тело скользит, сила трения равна ${\displaystyle \mu N}$.
• При решении задач на наклонной плоскости не забывайте учитывать проекции сил на оси координат.