Сила тертя

Сила тертя – це сила взаємодії між тілами, що дотикаються і яка перешкоджає переміщенню одного тіла відносно іншого. Сила тертя завжди спрямована уздовж поверхонь дотичних тіл.

У шкільній фізиці розглядаються два види тертя.

1. Сухе тертя. Воно виникає в зоні контакту поверхонь твердих тіл при відсутності між ними рідкого або газоподібного прошарку.
2. В’язке тертя. Воно виникає при русі твердого тіла в рідкому або газоподібному середовищі або при переміщенні одного шару середовища щодо іншого.

Сухе і в’язке тертя мають різну природу і відрізняються за властивостями. Розглянемо ці види тертя окремо.

Сухе тертя

Сухе тертя може виникати навіть при відсутності відносного переміщення тіл. Так, важкий диван залишається нерухомим при слабкій спробі зрушити його з місця: наша сила, прикладена до дивану, компенсується силою тертя, що виникає між диваном і підлогою. Сила тертя, яка діє між поверхнями тіл, що знаходяться у спокої, і перешкоджає виникненню руху, називається силою тертя спокою.

Чому взагалі з’являється сила тертя спокою? Дотичні поверхні дивана і підлоги є шорсткими, вони складаються
з мікроскопічних, непомітних оку горбиків різної форми і розмірів. Ці горбики зачіпляються один за одного і не дають дивану почати рух. Сила тертя спокою, таким чином, викликана силами електромагнітного відштовхування молекул, що виникають при деформаціях горбків.

Будемо плавно збільшувати силу , прикладену до дивану. Як вам добре відомо, до певного моменту диван все ще не буду зрушувати і стоятиме на місці. Це означає, що сила тертя спокою зростає разом зі збільшенням зовнішнього впливу, залишаючись рівною за модулем прикладеній силі: (Дивитися рисунок, ділянка OA). Причина зростання сили тертя зрозуміла: збільшуються деформації горбиків і зростають сили відштовхування їх молекул.

 

Рисунок. Залежність сили тертя від зовнішньої сили Нарешті, при певній величині зовнішньої сили диван зрушується з місця. Це означає, що сила тертя спокою досягає максимально можливого значення (Рисунок, точка A). Деформації горбиків виявляються настільки великі, що горбики не витримують і починають руйнуватися. Виникає ковзання. Сила тертя, яка діє між поверхнями, що ковзають, називається силою тертя ковзання. У процесі ковзання рвуться зв’язки між молекулами в горбиках поверхоні. При терті спокою таких розривів немає.

Сила тертя ковзання вже не залежить від величини прикладеної сили і залишається постійною (Рисунок, горизонтальна ділянка AB). Сила тертя ковзання дорівнює максимальній силі тертя спокою . Пояснення сухого тертя в термінах горбків є максимально простим і наочним. Реальні механізми тертя куди складніші, і їх розгляд виходить за рамки елементарної фізики. Сила тертя ковзання, прикладена до тіла з боку шорсткої поверхні, спрямована протилежно швидкості руху тіла відносно цієї поверхні. При зміні напрямку швидкості змінюється і напрямок сили тертя. Залежність сили тертя від швидкості – головна відмінність сили тертя від сил пружності і тяжіння (величина яких залежить тільки від взаємного розташування тіл, тобто від їх координат).

У простій моделі сухого тертя виконуються наступні закони. Вони є узагальненням дослідних фактів і носять наближений характер.

1. Максимальна величина сили тертя спокою дорівнює силі тертя ковзання.
2. Абсолютна величина сили тертя ковзання прямо пропорційна силі реакції опори

      

   . Коефіцієнт пропорційності μ називається коефіцієнтом тертя.

3. Коефіцієнт тертя не залежить від швидкості руху тіла по шорсткій поверхні.
4. Коефіцієнт тертя не залежить від площі дотичних поверхонь.

Цих законів досить для вирішення завдань.

В’язке тертя

Сила опору, що виникає при русі тіла у в’язкому середовищі (рідині або газі), володіє зовсім іншими властивостями.
По-перше, відсутня сила тертя спокою. Наприклад, людина може зрушити з місця плаваючий багатотонний корабель, просто потягнувши за канат.
По-друге, сила опору залежить від форми тіла, що рухається. Корпус підводного човна, літака або ракети має обтічну сигароподібну форму – для зменшення сили опору. Навпаки, при русі напівсферичного тіла увігнутою стороною вперед сила опору дуже велика (приклад – парашут).
По-третє, абсолютна величина сили опору істотно залежить від швидкості. При малих швидкостях руху сила опору прямо пропорційна швидкості:

   

При великих швидкостях сила опору прямо пропорційна квадрату швидкості:

   

Наприклад, при падінні в повітрі залежність сили опору від квадрата швидкості має місце вже при швидкостях близько декількох метрів в секунду. Коефіцієнти і залежать від форми і розмірів тіла, від фізичних властивостей поверхні тіла і в’язкою середовища.
Так, парашутист при затяжному стрибку не набирає швидкість весь час польоту, а з певного моменту починає падати з постійною швидкістю, при якій сила опору починає дорівнювати силі тяжіння:

   

Звідси постійна швидкість:

(1)  

Завдання. Два металеві кульки, однакові за розміром і різні за масою, падають без початкової швидкості з однієї і тієї ж великої висоти. Яка з кульок швидше впаде на землю – легка чи важка?

Рішення. З формули (1) випливає, що у важкої кульки постійна швидкість падіння більша. Отже, вона буде довше набирати швидкість і тому швидше досягне землі.