13.1. Трение скольжения

Трение скольжения возникает в тех случаях, когда скорости точек контакта поверхности тела и поверхности связи различны.

Открытие Галилеем принципа инерции дало возможность разделить между собой силы сопротивления, связанные с инерцией и обусловленные трением. Допустим, рассматриваем прямолинейное и равномерное движение тела: ускорение его равно нулю, это значит, что внешняя сила, приложенная к телу, уравновешивается силой трения.

Амонтон (1699 г.) также в своих работах говорит о том, что сила трения линейно зависит от нагрузки. В современной записи выглядит так:

F – сила трения скольжения, N - нормальная сила к плоскости трения,

f - коэффициент трения скольжения. Коэффициент трения зависит от состояния тела: находится или нет тело в движении. Если имеется движение, то f коэффициент трения скольжения (при движении) будет меньше коэффициента сцепления (при покое):

f_cц > f или f_стат > f_движ

отсюда получаем

или

Таблица коэффициентов трения скольжения

Материалы тел, между которыми возникает трение	Коэффициенты статического трения для поверхностей			Коэффициенты трения движения для поверхностей
	сухих	смазанных	смоченных водой		сухих	смазанных	смоченных водой
Сталь по железу	0,15	0,10	-		0,10	0,009	-
Литое железо по чугуну или по бронзе	0,18	0,1	-		0,16	0,01	-
Металл по дереву	0,6-0,5	0,1	-		0,5-0,2	0,08-0,02	0,26-0,22
Дерево по дереву	0,65	0,2	0,7		0,4-0,2	0,16-0,04	0,25
Кожа по металлу	0,6	0,25	0,62		0,25	0,12	0,36
Дерево по камню	До 0,7	0,4	-		0,3	-	-

Коэффициенты трения были найдены экспериментально для ряда комбинаций, между которыми возникает трение. Эти коэффициенты можно найти во многих технических справочниках. Данные, приведенные в таблице, содержат лишь приближенную оценку коэффициентов трения и поэтому пригодны лишь для грубых расчетов. Для определения более точных значений коэффициента трения ставят особые эксперименты.

В 1781 г. Кулон установил основные приближенные законы для сухого трения скольжения при покое. Эти

законы имели подтверждение в случае, когда поверхности не вдавливаются друг в друга и шероховатость не очень велика.

Законы Кулона

1. Силы трения скольжения находятся в общей касательной плоскости соприкасающихся поверхностей тел и направлены в обратную сторону возможному движению (скольжению) тела под действием активных сил. Величина силы трения зависит от активных сил и заключена между нулем и своим максимальным значением, который достигается в момент выхода тела из положения равновесия

2. Максимальная сила трения скольжен7ия не зависит от площади соприкасающихся трущихся поверхностей. Из этого закона следует, что прикладываемая сила не зависит от того какой поверхностью тело касается другой при скольжении.

3. Максимальная сила трения скольжения пропорциональна нормальному давлению (нормальной реакции)

где f называют коэффициентом трения скольжения; он не зависит от N.

4. Коэффициент трения скольжения зависит от материала и физического состояния трущихся поверхностей, т.е. от величины и характера шероховатости, температуры и других условий. Степень их шероховатостей, она зависит от высоты микронеровностей и делится на 14 классов чистоты. Чем выше эта цифра, тем чище поверхность. Например, изделие после литья имеет 6 класс чистоты, лакированная поверхность мебели – восьмой.

Угол, конус трения и угол естественного откоса

Равнодействующая реактивных сил: нормальной силы и трения равна шероховатой поверхности, – максимальная сила сцепления или сила трения при покое (см. рис. 68).

Рис. 68

Угол является углом сцепления, образован реакцией шероховатой поверхности и нормалью. Тангенс угла сцепления равен коэффициенту сцепления:

Конус с вершиной в точке касания тел, образующая которого составляет угол сцепления с нормалью к поверхностям тел, называется конусом сцепления. Поверхность конуса является геометрическим местом максимальных реакций опорной поверхности. Пусть рассмотрим влияние силы на состояние тела. Какая бы большая по величине эта сила не была и действовала на тело, она не сдвинет его с места, т.к. проекция этой силы ось, по которой может быть движение, мала по сравнению с силой сцепления. Отсюда тело нельзя вывести из равновесия, если сила находится внутри конуса.

Рассмотрим другую силу, , действующую по образующей конуса сцепления. Если её проекция на ось, по которой возможно движение, равна проекции реакции на ту же ось, т.е. силе трения сцепления, то состояние тела будет предельным, но в покое: если чуть-чуть увеличить величину силы , то возможно движение тела. Теперь рассмотрим влияние силы на тело. Если её проекция будет больше чем сила трения сцепления, то будет наблюдаться движение.

Теперь рассмотрим наклонную шероховатую плоскость АВ (см. рис. 69), на которой находится тело. Изменяя угол наклона её к горизонту , можно достичь такого положения, когда тело начнет свое движение по шероховатой поверхности. Сила тяжести тела на касательную плоскость АВ сравнивается с силой трения.

Если нет движения, то записывается

, т.к. ,

,

сила трения является силой сцепления, величина её равна

,

где G=mg. g – ускорение свободного падения и равно примерно g 10 м/с² . Чем меньше угол тем больше сила трения. Состояние предельного равновесия будет

,

т.е. проекция силы тяжести на касательную ось равна силе трения. Следовательно, угол ,который называется углом естественного откоса, равен углу трения

.

Рис. 69