Интересные факты про силу трения по физике. Ученые дополнили наши знания о силе трения

Кунгурова Э.В. (Пермь, учитель начальных классов, МАОУ «Гимназия № 1»)

1. Элементарный учебник физики:Учебное пособие. В 3-хт. /Под ред.Г.С.Ландсберга. Т.1 Механика.Молекулярная физика.М.:Наука, 1985.

2. Иванов А.С., Проказа А.Т. Мир механики и техники: Кн.для учащихся. – М.: Просвещение, 1993.

3. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика Ч.1 Биография физики. Путешествие в глубь материи. Механическая картина мира/Глав. Ред. В.А.Володин. – М.:Аванта+, 2010

4. Детская энциклопедия. Я познаю мир: Физика/сост. А.А. Леонович, под ред. О.Г. Хинн. – М.: ООО «Фирма «Издательство АСТ».2010.-480с.

5. http://demo.home.nov.ru/favorite.htm

6. http://gannalv.narod.ru/tr/

7. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5

8. http://class-fizika.narod.ru/7_tren.htm

9. http://www.physel.ru/component/option,com_frontpage/Itemid,1/

10. http://62.mchs.gov.ru/document/1968180.

Данная статья является реферативным изложением основной работы. Полный текст научной работы, приложения, иллюстрации и иные дополнительные материалы доступны на сайте III Международного конкурса научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» по ссылке: https://www.school-science.ru/0317/11/28780

Зима - любимое время многих малышей Прикамья! Ведь можно с ветерком скатиться с горки, тихо-тихо проехать по сказочному зимнему лесу и весело кататься с друзьями на коньках. Я тоже люблю зимние забавы!

Проблема: понять, что мешало мне так далеко уехать без ледянки.

Цель данного проекта: раскрытие тайны силы трения.

Задачи:

• проследить исторический опыт человечества по использованию и применению этого явления;
• выяснить природу силы трения;
• провести эксперименты, подтверждающие закономерности и зависимости силы трения;
• понять, где может встретиться с силой трения ученица 2 класса;
• разработать рекомендации для одноклассников «Умный зимний отдых».

Для достижения поставленных целей, над данным проектом мы работали по следующим направлениям:

1) исследование общественного мнения;

2) изучение теории;

3) эксперимент;

4) конструирование.

Гипотеза: сила трения необходима в жизни людей.

Научный интерес заключается в том, что в процессе изучения данного вопроса получены некоторые сведения о практическом применении явления трения.

1. Что такое трение (немного теории)

Цели: изучить природу сил трения.

Сила трения

Почему со снежной горки лучше ехать на ледянке? Как разгоняется автомобиль, и какая сила замедляет его при торможении? Как удерживаются растения в почве? Почему живую рыбу трудно в руке удержать? Чем объяснить опасность гололедицы в зимний период? Оказывается, все эти вопросы про одно и то же!

Ответы на эти и многие другие вопросы, связанные с движением тел, дают законы трения. Из приведенных вопросов следует, что трение является и вредным и полезным явлением.

Любое тело, двигаясь по поверхности, зацепляется за его неровности и испытывает сопротивление. Это сопротивление называется силой трения. Трение определяется свойствами поверхности твердых тел, а они очень сложны и до конца еще не исследованы.

Если мы попытаемся сдвинуть с места шкаф, то сразу убедимся, что не так-то просто это сделать. Его движению будет мешать взаимодействие ножек с полом, на котором он стоит. Что определяет величину силы трения? Повседневный опыт свидетельствует: чем сильнее прижать поверхности тел друг к другу, тем труднее вызвать их взаимное скольжение и поддерживать его. Мы постараемся доказать это на опыте.

1.1.Роль сил трения

Давайте представим себе, что однажды на Земле произошло нечто странное! Обратимся к мысленному эксперименту, вообразим, что в мире какому-то волшебнику удалось выключить трение. К чему это привело бы?

Во-первых, мы не смогли бы ходить, колеса машин без толку крутились бы на месте, бельевые прищепки ничего не смогли бы удержать…

Во-вторых, исчезли бы причины, порождающие трение. Во время скольжения одного предмета по-другому происходит словно бы зацепление микроскопических бугорков друг за друга. Но если бы этих бугорков не было, то это не значило бы, что сдвинуть предмет или тащить его стало бы легче. Возник бы так называемый эффект прилипания, который легко обнаружить, пытаясь, сдвинуть стопку книг в глянцевой обложке вдоль поверхности полированного стола.

Значит, не будь трения, не было бы этих крошечных попыток каждой частички вещества удержать около себя соседок. Но тогда как вообще эти частички держались бы вместе? То есть, внутри различных тел исчезло бы стремление «жить компанией», и вещество развалилось бы до мельчайших деталек, как домик из «Лего».

Вот к каким неожиданным выводам можно прийти, если допустить отсутствие трения. Как и со всем, что нам мешает, с ним надо бороться, но абсолютно избавиться от него не получится, да и не надо!

В технике и в повседневной жизни силы трения играют огромную роль. В одних случаях силы трения приносят пользу, в других - вред. Сила трения удерживает вбитые гвозди, винты, гайки; удерживает нитки в материи, завязанные узлы и т.д. При отсутствии трения нельзя было бы сшить одежду, собрать станок, сколотить ящик.

Трение увеличивает прочность сооружений; без трения нельзя производить ни кладку стен здания, ни закрепление телеграфных столбов, ни скрепление частей машин и сооружений болтами, гвоздями, шурупами. Без трения не могли бы удерживаться растения в почве. Наличие трения покоя позволяет человеку передвигаться по поверхности Земли. Идя, человек отталкивает от себя Землю назад, а Земля с такой же силой толкает человека вперед. Сила, движущая человека вперед, равна силе трения покоя между подошвой ноги и Землей.

Чем сильнее человек толкает Землю назад, тем больше сила трения, приложенная к ноге, и тем быстрее движется человек.

В гололедицу очень трудно ходить пешком и передвигаться на автомобилях, так как трение очень мало. В этих случаях посыпают тротуары песком и надевают цепи на колеса автомобилей, чтобы увеличить трение покоя.

Силой трения также пользуются для удержания тел в состоянии покоя или для их остановки, если они движутся. Вращение колес прекращается с помощью тормозов. Наиболее распространены воздушные тормоза, которые работают при помощи сжатого воздуха.

2. Конструкторская работа и выводы

Цели: создать демонстрационный эксперимент; объяснить результаты наблюдаемых явлений.

Изучив литературу, мы с папой сделали несколько опытов. Мы продумали эксперименты, и попытались объяснить их результаты.

Вернемся к истории о моем катании на горке.

Как-то раз мы с папой катались с ледяной горки. Сначала я съезжала без ледянки. И мне удавалось добраться только до окончания ледяного склона. Затем я решила съехать на пластмассовой ледянке, и мой путь увеличился почти в два раза!

Сейчас, мне понятно, что сила трения в первый раз скатывания была больше, она заставила мое тело затормозить быстрее. Но еще в данном опыте имеет значение твердость тел. Мой зимний костюм гораздо мягче пластмассовой ледянки. Значит, костюм больше взаимодействует с горкой и производит большую силу трения. Жесткая ледянка меньше «сцепляется» с горкой, и трение - меньше!

На кусок картона шириной в одну зубочистку, а длиной две зубочистки пластилином прикрепим зубочистку поперек картонки посередине. Затем загнем края картонки. Нарисуем на цветной бумаге паучка. Паучка нарисуем так, чтобы его тело было больше прямоугольника. К спинке паука приклеим картонку. Отрежем нитку длиной с руку. Вденем нитку в иголку и протянем ее через картонку. Натянем нитку с паучком и держим ее вертикально. Затем немного ослабим нитку. Как поведет себя паук?

Когда нитка сильно натянута, она касается зубочистки и между ними возникает трение. Трение не дает пауку соскальзывать вниз.

Этот опыт показывает, от чего зависит сила трения.

Возьмем лист бумаги. Вложим его между страницами лежащей на столе толстой книги. Попытаемся вытащить лист. Проведем опыт еще раз. Теперь вложим лист почти в самый конец книги. Попытаемся вытащить еще раз. Опыт показывает, что проще вытащить лист из верхней части книги, чем из нижней. Значит, чем сильнее прижимаются поверхности тел друг к другу, тем больше их взаимодействие, то есть больше сила трения.

При многократном разгибании и сгибании проволоки место изгиба нагревается. Это происходит за счет трения между отдельными слоями металла. Также при натирании монеты о поверхность, монета нагревается.

Этот простой опыт показывает применение силы трения.

Заточка ножей в мастерских. Когда нож затупился, его можно заострить специальным устройством. Явление основано на разглаживании зазубрин между соприкасающимися поверхностями.

Результатами этих опытов можно объяснить многие явления в природе и жизни человека. Теперь, когда мне стала известна тайна силы трения, я поняла, что она описывается и во многих сказках! Это для меня стало еще одним открытием!

Очень хочу привести примеры сказок. В сказке «Колобок» - сила трения помогает главному герою выпутаться из сложных ситуаций («Колобок полежал, полежал, взял да и покатился - с окна на лавку, с лавки на пол, по полу к двери, прыг через порог - да в сени и покатился…»). В сказке «Курочка Ряба» - недостаток силы трения привел к неприятностям («Мышка бежала, хвостиком вильнула, яичко покатилось, упало и разбилось). В сказке «Репка» - трение репы о поверхность земли заставило всю семью сплотиться. Снежная Королева своим волшебством легко преодолевала силу трения («Сани объехали вокруг площади два раза. Кай живо привязал к ним свои санки и покатил»).

Интересно взглянуть на известные произведения иначе!

3. Исследование общественного мнения

Цели: показать, какую роль играет явление трения или его отсутствие в нашей жизни; ответить на вопрос: «Что мы знаем об этом явлении?»

Были изучены пословицы, поговорки, в которых проявляется сила трения покоя, качения, скольжения, изучали человеческий опыт в применении трения, способов борьбы с трением.

Пословицы и поговорки:

• Не будет снега, не будет и следа.
• Тише едешь, дальше будешь.
• Тихий воз будет на горе.
• Тяжело против воды плыть.
• Любишь кататься, люби и саночки возить.
• Терпенье и труд все перетрут.
• От того и телега запела, что давно дегтя не ела.
• И строчит, и валяет, и гладит, и катает. А все языком.
• Врет, что шелком шьет.

Все приведенные пословицы, говорят о том, что существование силы трения люди заметили давно. Народ отражает в пословицах и поговорках усилия, которые нужно прикладывать для преодоления сил трения.

Возьмем монету и потрем ею о шершавую поверхность. Мы ощутим сопротивление - это и есть сила трения. Если тереть побыстрее, монета начнет нагреваться, напомнив нам о том, что при трении выделяется теплота - факт, известный еще человеку каменного века, ведь именно таким способом люди впервые научились добывать огонь.

Трение дает нам возможность ходить, сидеть, работать без опасения, что книги и тетради упадут со стола, что стол будет скользить, пока не упрется в угол, а ручка выскользнет из пальцев.

Трение - не только тормоз для движения. Это еще и главная причина изнашивания технических устройств, проблема, с которой человек столкнулся также на самой заре цивилизации. При раскопках одного из древнейших шумерских городов - Урука - обнаружены остатки массивных деревянных колес, которым 4,5 тыс. лет. Колеса обиты медными гвоздями с очевидной целью - защитить обоз от быстрого изнашивания.

И в нашу эпоху борьба с изнашиванием технических устройств - важнейшая инженерная проблема, успешное решение которой позволило бы сэкономить десятки миллионов тонн стали, цветных металлов, резко сократить выпуск многих машин, запасных частей к ним.

Уже в античную эпоху в распоряжении инженеров находились такие важнейшие средства для снижения трения в самих механизмах, как сменный металлический подшипник смазываемый жиром или оливковым маслом.

Конечно, трение играет в нашей жизни и положительную роль. Никакое тело, будь оно величиной с каменную глыбу или песчинку, никогда не удержится одно на другом, все будет скользить и катиться. Не будь трения, Земля была бы без неровностей, как жидкости.

Я узнала столько интересного и нового о тайнах силы трения. Бороться с ней, чтобы развивать невиданную скорость нужно с умом. Я решила рассказать одноклассникам о том, как правильно и безопасно кататься с горок.

Зима - это время забав и веселых игр. Катание с горок - всеми любимое зимнее развлечение. Скорость, свист свежего ветра, буря переполняющих эмоций - для того, чтобы Ваш отдых был не только приятным, но и безопасным, стоит задуматься о выборе как горок, так и санок.

1.С малышом младше 3 лет не стоит идти на оживленную горку, с которой катаются дети 7-10 лет и старше.

2. Если горка вызывает у вас опасения, сначала пусть прокатится с нее взрослый, без ребенка - испытает спуск.

3. Если ребенок уже катается на разновозрастной «оживленной» горке, обязательно за ним должен следить взрослый. Лучше всего, если кто-то из взрослых следит за спуском сверху, а кто-то снизу помогает детям быстро освобождать путь.

4. Ни в коем случайте нельзя использовать в качестве горок железнодорожные насыпи и горки вблизи проезжей части автодорог.

Библиографическая ссылка

Не идётся - только едется,

Потому что - гололедица,

Но зато отлично падается!

Почему ж никто не радуется?

Такой наивный детский стишок на первый взгляд - а как много содержит он, если взглянуть на него с физической точки зрения! Ведь именно в нём заключена система противоречивого отношения к пресловутой силе трения. Этот постоянный бой, где соперничают между собой два понятия - вред и польза силы трения, никогда не будет иметь победителя. Ведь то, что одному человеку удобно и выгодно, другому часто бывает совсем даже наоборот - плохо, как в этом стихотворении.

Помните рассказ Николая Носова про ледяную горку, которую строили ребята во дворе? А когда они все ушли обедать, вышел тот, который в строительстве не участвовал. Попытался он забраться на неё, да только ушибся, но забраться так и не смог. И догадался малыш посыпать лёд песком - стало очень удобно забираться на самый верх даже по льду! Так, усилив при помощи песка между скользким льдом и подошвой, мальчик понял, что польза трения позволяет преодолевать препятствия.

Но вот после обеда вышли ребятишки с ледянками, чтобы вволю накататься на своей горке. Ан не тут-то было: не едут санки по песку! Для них эта ситуация повернулась другой стороной, показав вред трения.

Подобные случаи мы наблюдаем зимой, когда мальчишки раскатывают ледяные дорожки и несутся с разбегу по ним, преодолевая расстояние за считанные минуты! А следом ковыляют пожилые люди, поскальзываются на припорошенных снежком накатах и падают, ломая руки и ноги. Вот вам опять наглядные примеры, где в одном и том же случае соседствуют и вред, и польза силы трения.

Именно для уменьшения силы трения лыжники смазывают свои лыжи специальными мазями, чтобы увеличить скорость при движении. Катки, на которых занимаются конькобежцы либо фигуристы, периодически поливают водой и очищают - тоже для уменьшения силы трения. А пешеходные дорожки, напротив, посыпают песком или золой, чтобы никто на них не падал. Некоторые изобретатели-рационализаторы придумали даже приклеивать к подошвам зимних ботинок и сапог кусочки наждачной бумаги как раз с целью увеличения силы трения.

То же самое происходит и с колёсами машин. Ведь не секрет, что с наступлением зимы, водители «обувают» своих железных коней в специальную «зимнюю резину». А иначе без полезной силы трении увеличивается происходит занос машины при поворотах, она юзит, и часто водитель плохо справляется с управлением. А чем кончаются аварии, каждый знает и сам.

Что-то мы всё про зиму, да про лёд, да про падения. А есть ли другие моменты в обыденной жизни, где наглядно можно увидеть, как соревнуются между собой вред и польза силы трения? Конечно, есть! Они повсюду. Даже в нашей с вами комнате.

Вот, например, огромный и тяжёлый шифоньер. Стоит себе, как вкопанный, и не двигается. А если бы вдруг исчезла сила трения, что тогда могло бы произойти? А поехала бы эта громадина от самого лёгкого толчка по комнате! И ещё неизвестно, смогли бы мы успеть увернуться от неё. Хорошая сила трения, полезная!

Но вот мама решила переставить мебель. И нужно передвинуть этот пресловутый шкафище к другой стене. Раз - два, взяли! Три - четыре, поднапряглись! Только всё оказывается бесполезно: чем тяжелее предмет, тем крепче держится за него сила трения. Ужасная, противная силища!

Опять соперничают они между собой - вред и польза силы трения. А не нужно никакого соперничества! Надо просто хорошо знать физические законы и уметь извлекать из этих знаний практическую пользу. Не нужна в данный Значит, следует её уменьшить: сделать соприкасающиеся поверхности более гладкими, скользкими. Кто-то для этого советует намазать пол мылом либо маслом, кто-то подкладывает под ножки тяжёлого предмета мокрую тряпку. И вот уже - раз - два - и готово! Сдвинули довольно легко этакую махину с места.

Сила трения постоянно сопутствует нам на протяжении всей жизни, так же, как Где-то она создаёт нам неудобство, а где-то без неё никак не обойтись. Но как бы то ни было, она существует, и наша задача - научиться пользоваться физическими законами так, чтобы жизнь наша становилась удобнее и комфортнее.

В окружающем нас мире существует множество физических явлений: гром и молния, дождь и град, электрический ток, трение… Именно трению и посвящён наш сегодняшний доклад. Почему возникает трение, на что влияет, от чего зависит сила трения? И, наконец, трение - это друг или враг?

Что такое сила трения?

Немного разбежавшись, можно лихо прокатиться по ледяной дорожке. Но попробуйте сделать это на обычном асфальте. Впрочем, и пробовать не стоит. Ничего не получится. Виновницей вашей неудачи станет очень большая сила трения. По этой же причине сложно сдвинуть с места массивный стол или, скажем, пианино.

В месте соприкосновения двух тел всегда возникает взаимодействие, которое препятствует движению одного тела по поверхности другого. Его и называют трением. А величину этого взаимодействия - силой трения.

Виды сил трения

Представим себе, что вам надо передвинуть тяжелый шкаф. Вашей силы явно не хватает. Увеличим «сдвигающую» силу. Одновременно увеличивается и сила трения покоя. И направлена она в сторону противоположную движения шкафа. Наконец, «сдвигающая» сила «побеждает» и шкаф трогается с места. Теперь в свои права вступает сила трения скольжения. Но она меньше силы трения покоя и дальше шкаф передвигать значительно легче.

Вам, конечно, приходилось наблюдать, как 2-3 человека откатывают в сторону тяжелый автомобиль с внезапно заглохшим двигателем. Люди, толкающие автомобиль, никакие не силачи, просто на колеса автомобиля действует сила трения качения. Этот вид трения возникает при перекатывании одного тела по поверхности другого. Может катиться шарик, круглый или гранёный карандаш, колеса железнодорожного состава и т. д. Этот вид трения гораздо меньше силы трения скольжения. Поэтому совсем легко передвигать тяжелую мебель, если она снабжена колёсиками.

Но, и в этом случае сила трения направлена против движения тела, следовательно, уменьшает скорость тела. Если бы не её «вредный характер», разогнавшись на велосипеде или роликах, можно было бы наслаждаться ездой бесконечно долго. По этой же причине автомобиль с выключенным двигателем ещё какое-то время будет двигаться по инерции, а затем остановится.

Итак, запоминаем, различают 3 вида сил трения:

• трение скольжения;
• трение качения;
• трение покоя.

Быстрота изменения скорости называется ускорением. Но, поскольку, сила трения замедляет движение, то это ускорение будет со знаком «минус». Правильно будет сказать, под действием трения тело движется с замедлением.

Какова природа трения

Если рассмотреть гладкую поверхность полированного стола или льда через лупу (увеличительное стекло), то вы увидите крохотные шероховатости, за которые и цепляется тело, скользящее или катящееся по его поверхности. Ведь подобные выступы есть и у тела, движущегося по этим поверхностям.

В точках соприкосновения молекулы настолько сближаются, что начинают притягиваться друг к другу. Но тело продолжает движение, атомы удаляются друг от друга, сцепки между ними рвутся. Это приводит в колебание освободившиеся от притяжения атомы. Примерно так, как колеблется освобожденная от растяжения пружина. Мы же воспринимаем эти колебания молекул как нагревание. Вот почему трение всегда сопровождается повышением температуры соприкасающихся поверхностей.

Значит, существуют две причины, вызывающие это явление:

• неровности на поверхности соприкасающихся тел;
• силы межмолекулярного притяжения.

От чего зависит сила трения

Вероятно, вам приходилось замечать, резкое торможение санок, если они съезжают на участок, посыпанный песком. И ещё одно интересное наблюдение, когда на санках находится один человек, они проделают, съехав с горки, один путь. А если двое друзей будут съезжать вместе, санки остановятся быстрее. Следовательно, сила трения:

• зависит от материала соприкасающихся поверхностей;
• кроме того, трение возрастает с увеличением веса тела;
• действует в сторону противоположную движению.

Замечательная наука физика еще и тем хороша, что многие зависимости можно выразить не только словами, но и в виде специальных знаков (формул). Для силы трения это выглядит так:

Fтр = kN где:

Fтр - сила трения.

k - коэффициент трения, который отражает зависимость силы трения от материала и чистоты его обработки. Скажем, если металл катится по металлу k=0,18, если вы мчитесь на коньках по льду k= 0,02 (коэффициент трения всегда меньше единицы);

N - это сила, действующая на опору. Если тело находится на горизонтальной поверхности, эта сила равна весу тела. Для наклонной плоскости она меньше веса и зависит от угла наклона. Чем круче горка, тем легче с нее скатиться и дольше можно проехать.

А, высчитав по этой формуле силу трения покоя шкафа, мы узнаем какую силу нужно приложить, чтобы сдвинуть его с места.

Работа силы трения

Если на тело действует сила, под действием которой тело перемещается, то всегда совершается работа. У работы силы трения свои особенности: ведь она не вызывает движение, а препятствует ему. Поэтому, совершаемая ею работа, всегда будет отрицательной, т.е. со знаком «минус», в какую бы сторону не двигалось тело.

Трение - это друг или враг

Силы трения сопровождают нас повсюду, принося ощутимый вред и… огромную пользу. Вообразим, что исчезло трение. Изумленный наблюдатель увидел бы: как рушатся горы, сами по себе выкорчевываются из земли деревья, ураганные ветры и морские волны бесконечно властвуют над землей. Все тела сползают куда-то вниз, транспорт разваливается на отдельные детали, поскольку болты без трения не выполняют свою роль, невидимый безобразник развязал бы все шнурки и узлы, мебель, не удерживаемая силами трения, сползла в самый низкий угол комнаты.

Попытаемся убежать, спастись от этого хаоса, но без трения не сможем сделать, ни шагу. Ведь именно трение помогает нам при ходьбе отталкиваться от земли. Теперь понятно, почему зимой скользкие дороги посыпают песком….

И в то же время иногда трение наносит значительный вред. Люди научились уменьшать и увеличивать трение, извлекая из него огромную пользу. Например, для перетаскивания тяжелых грузов придумали колеса, заменив трение скольжение - качением, которое, значительно меньше трения скольжения.

Потому, что катящемуся телу не приходится цеплять множество мелких неровностей поверхности, как при скольжении тел. Затем снабдили колёса шинами с глубоким рисунком (протекторами).

А вы заметили, что все шины резиновые и чёрные?

Оказывается, резина хорошо удерживает колеса на дороге, а уголь, добавляемый в резину, придает ей чёрный цвет, нужную жёсткость и прочность. Кроме того, позволяет при авариях на дороге, измерить тормозной путь. Ведь при торможении резина оставляет четкий чёрный след.

При необходимости уменьшить трение, используют смазочные масла и сухую графитовую смазку. Замечательным изобретением явилось создание разного вида шарикоподшипников. Их применяют в самых различных механизмах от велосипеда до новейшего самолёта.

Бывает ли трение в жидкостях

Когда тело в воде неподвижно, то трение о воду не происходит. Но стоит ему начать движение, возникает трение, т. е. вода оказывает сопротивление движению в ней любых тел.

Значит, и берег, создавая трение, «тормозит» воду. А, так как трение воды о берег уменьшает её скорость, то на средину реки заплывать не стоит, ведь там течение гораздо сильнее. Рыбы и морские животные имеют такую форму, чтобы трение их тел о воду было минимальным.

Такую же обтекаемость конструкторы придают и подводным лодкам.

Наше знакомство с другими природными явлениями будет продолжаться. До новых встреч, друзья!

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя

Введение.

С трением мы сталкиваемся на каждом шагу. Но, несмотря на ту большую роль, которую играет трение в нашей жизни, до сих пор не создана достаточно полная картина возникновения трения. Это связано даже не с тем, что трение имеет сложную природу, а скорее с тем, что опыты с трением очень чувствительны к обработке поверхности и поэтому трудно воспроизводимы.

Когда говорят о трении, различают три несколько отличных физических явления: сопротивление при движении тела в жидкости или газе его называют жидким трением; сопротивление, возникающее, когда тело скользит по какой-нибудь поверхности, – трение скольжения, или сухое трение; сопротивление, возникающее при качении тела, – трение качения.

История возникновения силы трения

Первая формулировка силы трения приписывается Леонардо да Винчи. Он утверждал, что сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна нагрузке (силе прижатия), направлена против направления движения и не зависит от площади контакта.

Модель Леонардо была переоткрыта через 180 лет Г. Амонтоном и получила окончательную формулировку в работах Кулона (1781). Амонтон и Кулон ввели понятие коэффициента трения как отношения силы трения к нагрузке, придав ему значение физической константы, полностью определяющей силу трения для любой пары контактирующих материалов. До сих пор именно эта формула

где P - сила прижатия, а Fтр - сила трения, является единственной формулой, фигурирующей в учебниках по физике, а значения коэффициента трения fтр для различных материалов (сталь по стали, сталь по бронзе, чугун по коже и т.д.) входят в стандартные инженерные справочники и служат базой для традиционных технических расчетов.

Однако уже в XIX веке стало ясно, что закон Амонтона-Кулона не дает правильного описания силы трения, а коэффициенты трения отнюдь не являются универсальными характеристиками. Прежде всего, было отмечено, что коэффициенты трения зависят не только от того, какие материалы контактируют, но и от того, насколько гладко обработаны контактирующие поверхности. Выяснилось также, что сила статического трения отличается от силы трения при движении. Чтобы напомнить, что обычно понимается под статическим трением, представим схему простейшего эксперимента (рис. 1).

Будем пытаться сдвинуть с места тело, потянув за трос с пружинным динамометром. При малом перемещении конца троса тело остается на месте: силы, развиваемой пружиной динамометра, недостаточно. Обычно говорят, что на контактирующих поверхностях развивается сила трения, уравновешивающая приложенную силу. Постепенно увеличиваем перемещение и вместе с ним упругую силу, приложенную к телу. В какой-то момент она оказывается достаточной для того, чтобы стронуть тело с места. Зарегистрированное в этот момент показание динамометра и называют обычно силой статического трения, характеризующего предельные возможности неподвижного (статического) сцепления тел. Если мы будем продолжать медленно вытягивать трос, то тело поедет по поверхности. Оказывается, что регистрируемые в ходе движения показания динамометра будут не такими, как в момент страгивания. Обычно сила трения при медленном движении меньше силы страгивания, статического трения. Кулон изучал именно силу трения при медленном взаимном перемещении контактирующих тел и установил, что эта сила не зависит от величины скорости, а только от направления движения (всегда направлена против движения.

Конец XIX века ознаменовался замечательными достижениями в исследовании вязкости, то есть трения в жидкостях. Наверное, с доисторических времен известно, что смазанные жиром или даже просто смоченные водой поверхности скользят значительно легче. Смазка трущихся поверхностей применялась с момента зарождения техники, но только О. Рейнольдс в 1886 году дал первую теорию смазки.

При наличии достаточно толстого слоя смазки, обеспечивающего отсутствие непосредственного контакта трущихся поверхностей, сила трения определяется только свойствами смазочного слоя. Сила статического трогания равна нулю, а с ростом скорости сила сопротивления движению увеличивается. Если же смазки недостаточно, то действуют все три механизма: сила статического сопротивления страгиванию с места, кулонова сила и сила вязкого сопротивления.

Итак, к концу XIX века выяснилась картина зависимости силы трения от скорости, представленная графиком (рис. 2, а). Но уже на пороге XX века возникло сомнение в правильности этой картины при очень малых скоростях. В 1902 году Штрибек опубликовал данные, свидетельствующие о том, что при отсутствии смазки сила сопротивления не падает сразу с уровня силы трогания до кулоновой силы, а возникает постепенное падение силы с ростом скорости - эффект, противоположный гидродинамической вязкости. Этот факт был многократно перепроверен в дальнейшем и теперь обычно именуется штрибек-эффектом. Картина зависимости силы трения от скорости (рис 2, б.).

Быстро развивавшаяся техника XX века требовала все большего внимания к исследованию трения. В 30-е годы исследования в области трения стали настолько интенсивными, что потребовалось выделить их как специальную науку - трибологию, лежащую на стыке механики, физики поверхностных явлений и химии (создание новых смазочных материалов - дело химиков). Только в США в этой области работают в настоящее время более 1000 исследователей, и в мировой науке ежегодно публикуется более 700 статей.

Современная картина трения .

Для того чтобы понять хотя бы основы трибологии, следует, прежде всего, обратиться к топографии поверхностей контактирующих между собой частей реальных механизмов. Эти поверхности никогда не являются идеально плоскими, имеют микронеровности. Места выступов на одной поверхности отнюдь не совпадают с местами выступов на другой. Как образно выразился один из пионеров трибологии, Ф. Боуден, "наложение двух твердых тел одного на другое подобно наложению швейцарских Альп на перевернутые австрийские Альпы - площадь контакта оказывается очень малой". Однако при сжатии остроконечные "горные пики" пластически деформируются, и подлинная площадь контакта увеличивается пропорционально приложенной нагрузке. Именно сопротивление относительному сдвигу этих контактных зон и является основным источником трения движения. Само сопротивление сдвигу при идеальном контакте определяется межмолекулярным взаимодействием, зависящим от природы контактирующих материалов.

Таким образом, объясняется влияние двух главных факторов: нагрузки (силы прижатия) и свойств материалов. Однако имеются два осложняющих обстоятельства. Во-первых, металлические поверхности на воздухе быстро покрываются тонкой пленкой окислов, и фактически контакт осуществляется не между чисто металлическими поверхностями, а между окисными пленками, имеющими более низкое сопротивление сдвигу. Проникновение же любой жидкой или пастообразной смазки вообще меняет картину контакта. Во-вторых, при относительном сдвиге осуществляется не только скольжение по контактным площадкам, но и упругое деформирование выступов, пиков. Выделим схематически только два пика (практически наклон их склонов порядка 10?-20?, но для наглядности они нарисованы на рис. 3 круче). При попытке сдвинуться в горизонтальном направлении один пик начинает прогибать другой, то есть сначала пытается сгладить дорогу, а потом уже скользить по ней. Ширина пиков мала (порядка сотых долей миллиметра), и в пределах таких микросмещений главную роль играет именно упругое сопротивление, то есть сила должна подчиняться закону Гука, быть пропорциональной смещению. Иначе говоря, при микросмещениях контактирующие поверхности оказываются как бы связанными многочисленными пружинками. Но после того как верхний пик в ходе движения перевалит через нижний (причем оба они сплющиваются), пружинка рвется вплоть до встречи с новым препятствием. Таким образом, после приложения продольной силы, стремящейся сдвинуть два тела, могут возникнуть следующие четыре основных режима: режима

I упругих микросмещений, режим

II скольжения по площадкам контактов мягкого поверхностного слоя (окисных пленок), режим

III, когда при большей скорости выдавливаемая жидкая смазка создает подъемную силу, нарушающую большую часть прямых контактов и тем самым снижающую силу трения,

IV, когда прямые контакты вообще исчезают, одно тело "плывет" над другим по смазочному слою и с увеличением скорости возрастает вязкое сопротивление.

Знаете ли вы, что еще гениальный Леонардо да Винчи в далеком 1500 году очень интересовался тем, от чего зависит сила трения и что она собой представляет? Странные опыты, которые он проводил, вызывали немалое удивление у его учеников, а чего еще можно было ожидать от людей, видящих, как талантливый ученый таскает по полу веревку, то размотанную во всю длину, то плотно свитую. Эти и другие подобные эксперименты позволили ему чуть позже (в 1519 году) сделать вывод: сила трения, которая появляется при контакте одного тела с поверхностью другого, напрямую зависит от нагрузки (силы прижатия), не зависит от площади взаимодействия и направлена в противоположную от движения сторону.

Открытие формулы

Прошло 180 лет, и модель Леонардо была заново открыта Г. Амонтоном, а в 1781 году Ш. О. Кулон в своих работах дал ей окончательную формулировку. Заслуга этих двух ученых в том, что они ввели такую физическую константу, как коэффициент трения, тем самым позволив вывести формулу, по которой можно вычислить, чему равна сила трения для конкретно взятой пары взаимодействующих материалов. До сих пор именно это выражение

F t = k t х Р, где

Р - сила прижатия (нагрузка), а k t - коэффициент трения, из года в год перекочевывает в различные учебники и пособия по физике, а сами коэффициенты давно уже подсчитаны и содержатся в стандартных инженерных справочниках. Казалось бы, наконец-то с этим явлением наступила полная ясность, однако не тут-то было.

Новые нюансы

В XIX веке ученые убедились в том, что формулировка, предложенная Амонтоном и Кулоном, не является универсальной и абсолютно правильной, а сила трения зависит не только от коэффициентов и прилагаемой нагрузки. Кроме этого, есть еще третий фактор - качество обработки поверхности. В зависимости от того, является она гладкой или шероховатой, сила трения будет принимать разное значение. В принципе, это вполне логично: сдвинуть скользящий предмет намного проще по сравнению со смещением объекта с неровной поверхностью. А в конце XIX века появились новые достижения в изучении вязкости, и стало понятно, как действует сила трения в жидкостях. И хотя смазку трущихся поверхностей использовали с самого начала зарождения техники, лишь в 1886 году благодаря О. Рейнольдсу появилась стройная теория, посвященная смазке.
Так, если ее достаточно, и непосредственно контакта между двумя предметами не происходит, сила трения зависит лишь от ее гидродинамики. А если смазочного вещества недостаточно, то включаются все три механизма: кулонова сила, сила вязкого сопротивления и сила, препятствующая страгиванию с места. Как вы думаете, поставила ли эта теория точку в изучении данного явления? Правильно, нет. На пороге ХХ века оказалось, что на малых скоростях при отсутствии смазки возникает штрибек-эффект. Его суть в том, что когда смазка отсутствует, сила сопротивления не снижается сразу с величины силы трогания до уровня кулоновой силы, а падает постепенно по мере роста скорости. В ХХ веке дальнейшие исследования в этой области принесли так много новой информации, что ее требовалось как-то систематизировать. В результате появилась целая наука - трибология, изучающая, как действует сила трения в природе. Только в США число ученых, работающих в данной сфере, перевалило за одну тысячу человек, а в мире ежегодно на эту тему публикуется свыше 700 статей. Любопытно, что же еще интересного удастся обнаружить ученым? Поживем - увидим!