2. Силы трения

Классифицируя силы трения, прежде всего, разделяют сухое и вязкое трение (рис. 3.6).Первое возникает между сухими твёрдыми поверхностями тел, а второе — при движении в вязкой среде, либо при относительном движении тел, разделённых смазочным слоем.

Рис. 3.6

При сухом трении, в свою очередь, различают трение покоя и трение скольжения.

3. Сухое трение

Приложим «небольшую» силу к телу, лежащему на горизонтальной поверхности. «Небольшую» — то есть, недостаточную для начала движения. Тело будет оставаться в покое, потому что кроме приложенной нами силы на тело будет действовать равная и противоположно направленная сила трения. Это и есть «сила трения покоя» (рис. 3.7). Тело будет оставаться в покое при изменении направления приложенной силыи, в известных пределах, её величины. Это означает, что с изменением силыбудет меняться величина и направление силы трения покоя.

Увеличивая приложенное усилие , мы будем наблюдать рост силы трения покоя. Однако, этот рост не безграничен. Когда сила трения покоя достигнет своего предельного значения, начнётся скольжение тела по поверхности. Максимальная сила трения покоязависит от материала контактирующих поверхностей, качества их обработки и от величины силы, прижимающей тело к поверхности — силы нормального давленияN.

Рис. 3.7

Если приложенная сила FпревышаетF₀, тело будет двигаться с ускорением, пропорциональным равнодействующей силыFи силы трения — теперь уже скольжения —F_тр.

Согласно опытному закону Амонтона (1699) максимальное значение силы трения покоя F₀и сила трения скольженияпропорциональны величине силы нормального давления, прижимающей трущиеся поверхности друг к другуN:

. (3.11)

Здесь — коэффициент сухого трения. Это табличная величина, связанная как уже отмечалось, с материалом трущихся поверхностей и качеством их обработки.

Сила трения скольжения не зависит от площади поверхности соприкосновения тел.

4. Вязкое трение

Сила вязкого трения действует на тело, движущееся в вязкой среде (жидкой или газообразной). Она зависит от формы и размеров тела, скорости его движения, а также от физических свойств среды: в частности — от плотности и вязкости.

Ньютон экспериментально исследовал силу вязкого трения, возникающую при относительном скольжении двух поверхностей I и II, разделённых слоем жидкости (рис. 8).

Рис. 3.8

Эта сила оказалась пропорциональной скорости Vподвижной пластины I, её площадиSи обратно пропорциональной толщинеhразделительного слоя жидкости:

. (3.12)

Здесь — вязкость жидкости, [Пас].

В 1851 году английский физик Джордж Стокс рассчитал силу вязкого сопротивления, действующую на твёрдый шар радиуса rпри его медленном поступательном движении в неограниченной вязкой среде:

. (3.13)

Эта формула известна как закон Стокса.

Покажем, как, используя этот закон, можно экспериментально определить вязкость жидкости .

На шар радиуса r, падающий в вязкой среде будут действовать три силы (рис. 9): сила тяжестиP=_тgV, сила вязкого сопротивленияF_в.тр.= 6rv и сила гидростатического выталкивания (Архимеда)F_Арх.=_жgV. Здесь— объём шара.

Рис. 3.9

Под действием этих сил движение шара будет происходить с ускорением:

.

Важно подметить, что в числителе этого выражения первые два слагаемых остаются постоянными, а третье в процессе движения увеличивается по мере роста скорости шара v.

При этом ускорение будет уменьшаться и станет равным нулю, когда равнодействующая сил (числитель) обратится в ноль:

_тgV –_жgV – 6rv₀=0 (3.14)

Далее движение будет происходить с неизменной скоростью v₀.

Решим последнее уравнение относительно коэффициента вязкости :

(3.15)

Для вычисления вязкости жидкости нужно измерить_ти_ж— плотность вещества шара и жидкости;rиv₀— радиус шара и скорость его равномерного падения в среде. Конечно, придётся вычислить и объём шараV=. Эта простая методика измерения вязкости и сегодня широко используется в «вискозиметрах Стокса».