4. Сила тертя. Коефіцієнт тертя.

У всіх механічних явищах наявні сили тертя. Наш рух по землі, рух транспортних засобів та їх гальмування — результат дії сил тертя. Сили тертя виникають унаслідок безпосереднього зіткнення тіл і завжди спрямовані вздовж поверхонь цих тіл, на відміну від сил пружності, спрямованих перпендикулярно цим поверхням.

Коли тіло ковзає по поверхні іншого тіла, на нього діє сила тертя ковзання.

Сили тертя ковзання діють між стичними тілами, коли вони рухаються відносного одне одного, і спрямовані так, щоб зменшити швидкість їх відносного руху.

Сила тертя ковзання виникає з двох причин.

По-перше, на шорсткуватих поверхнях існують нерівності, і в разі спроби зсунути одне тіло відносно іншого, ці нерівності чі­пляються одна за одну, у результаті чого виникають сили, подібні до сил пружності.

По-друге, якщо обидві стичні поверхні ретельно відшліфовані, то в разі зіткнення цих поверхонь виникають сили міжмолекуляр­ного притягання. Це може привести навіть до приставання повер­хонь одна до одної.

На досліді можна показати, що модуль сили тертя ковзання F_тер пропорційний модулю сили нормального тиску N:

Коефіцієнт пропорційності μ називають коефіцієнтом тертя.

Необхідно звернути увагу учнів на те, що співвідношення не можна записувати у векторній формі, оскільки сила тертя і сила нормального тиску перпендикулярні одна одній.

Під час переміщення тіла по горизонтальній поверхні горизонтально спрямованою силою сила нормальної реакції дорівнює за модулем силі тяжіння, тому в цьому випадку співвідношення перетворюється в .

Покладемо брусок на дошку й піднімемо її за один край. Брусок при цьому не зісковзує, тобто перебуває в рівновазі. Оскільки дві сили, що діють на брусок (сила тяжіння і сила реакції опори), не зрівноважують одна одну, то, очевидно, є ще одна сила, яка зрівноважує сили тяжіння і сили пружності, що діють однаковою мірою. Це і є сила тертя спокою.

Сила тертя спокою виникає внаслідок спроби зрушити одне зі стичних тіл відносно другого і спрямована вздовж поверхонь зіткнення тіл так, що перешкоджає їх відносному руху.

Причина виникнення сил тертя спокою — та сама, що й сил тертя ковзання: це, головним чином, зачеплення нерівностей стичних тіл.

Якщо збільшувати кут нахилу дошки, то за деякого значення сили, що діє на брусок, він починає ковзати по поверхні дошки, при цьому тертя спокою замінюється тертям ковзання.

Отже, сила тертя спокою не перевищує деякого максимального значення, яке називають максимальною силою тертя спокою. Досвід показує, що максимальна сила тертя спокою приблизно дорівнює силі тертя ковзання.

Якщо тіло не ковзає по поверхні іншого тіла, а котиться, то тертя, що виникає в місці їх зіткнення, називають тертям кочення.

До тертя кочення можна зарахувати тертя коліс залізничного вагона об рейки, коліс автомобіля об бруківку, тертя під час перекочування діжок або труб об ґрунт тощо.

За однакових навантажень сила тертя кочення значно менша за силу тертя ковзання, тому в тих випадках, коли потрібно зменшити силу тертя, тертя ковзання замінюють тертям кочення. З цією метою використовують шарикові й роликові підшипники. Застосування шарикових або роликових підшипників дозволяє зменшити силу тертя у 20–30 разів.

Під час кочення тіло деформує все нові й нові ділянки поверхні. Це є однією з причин виникнення сили тертя кочення. Зазвичай тертя кочення тим менше, чим твердіші поверхні стичних тіл.

Незважаючи на те що сила тертя спокою перешкоджає віднос­ному руху тіл, саме тому вона часто «передає» механічний рух від одних тіл до інших.

Дійсно, роблячи крок, людина штовхає ґрунт назад. При цьому між підошвою і поверхнею дороги діє сила тертя спокою, адже підошва під час поштовху перебуває в стані спокою відносно дороги. Тому Земля, відповідно до третього закону Ньютона, штовхає лю­дину вперед, діючи також силою тертя спокою.

Сила тертя спокою може розганяти й автомобілі. Колесо авто­мобіля, обертаючись, штовхає шляхове полотно назад, діючи на нього силою тертя спокою, адже нижня точка колеса перебуває в стані спокою відносно дороги, якщо колесо котиться без просли­зання. При цьому земля штовхає колесо (а разом із ним і автомо­біль, з’єднаний із колесом) уперед.

Тертя, як і будь-яке інше фізичне явище, може бути і шкідли­вим, і корисним.

Коли тертя шкідливе, його намагаються зменшити. Для цього використовують змазки, застосовують магнітну або повітряну по­душку, замінюють ковзання коченням, застосовують шарикові, роликові або магнітні підшипники.

Коли тертя корисне, його намагаються збільшити: під час оже­леді посипають тротуари й автодороги піском, застосовують шипи на взутті й автомобільних шинах. Тертя дозволяє здійснити гальмування тіл, які рухаються, і переміщення вантажів конвеєрною стрічкою.