Физика_1 / 8

8.Виды сил: Силы трения, сила упругости, сила тяжести

Сила трения: Из опыта известно, что всякое тело, движущееся по горизонтальной поверхности другого тела, при отсутствии действия на него других сил с течением времени замедляет свое движение и в конце концов останавливается. Это можно объяснить существованием силы трения, которая препятствует скольжению соприкасающихся тел относительно друг друга. Силы трения зависят от относительных скоростей тел,

в результате их действия механическая энергия всегда превращается во внутреннюю энергию соприкасающихся тел, т. е. в энергию теплового движения частиц. Различают внешнее (сухое) и внутреннее (жидкое или вязкое) трение. Это деление, впрочем, имеет условный характер. Внешним трением называется трение, возникающее в плоскости касания двух соприкасающихся тел при их относительном перемещении. Если соприкасающиеся тела неподвижны относительно друг друга, говорят о трении покоя, если же происходит относительное перемещение этих тел, то в зависимости от характера их относительного движения говорят о трении скольжения, качения или верчения. Внутренним трением называется трение между частями одного и того же тела, например между различными слоями жидкости или газа, скорости которых меняются от слоя к слою. В отличие от внешнего трения здесь отсутствует трение покоя. Если тела скользят относительно друг друга и

разделены прослойкой вязкой жидкости (смазки), то трение происходит в

слое смазки. В таком случае говорят о гидродинамическом трении (слой смазки достаточно толстый) и граничном трении (толщина смазочной прослойки составляет около 0,1 мкм и менее).Силы трения определяются характером взаимодействия между молекулами вещества и являются по своей природе электромагнитными силами. Эти силы описываются закономерностями, полученными опытным путем. Обсудим некоторые закономерности внешнего трения. Это трение обусловлено шероховатостью соприкасающихся поверхностей, а в случае очень гладких поверхностей — силами межмолекулярного притяжения. Рассмотрим лежащее на плоскости тело (рис. 11), к которому приложена горизонтальная сила F. Тело придет в движение лишь тогда, когда приложенная сила F будет больше силы трения FTp. Французские физики Г.Амонтон (1663-1705) и Ш. Кулон (1736- 1806) опытным путем установили следующий закон: сила трения скольжения FTp пропорциональна силе N нормального давления, с которой одно тело действует на другое: где / — коэффициент трения скольжения, зависящий от свойств соприкасающихся поверхностей. Найдем значение коэффициента трения. Если тело находится на наклонной плоскости с углом наклона а (рис. 12), то оно приходит в движение только когда тангенциальная составляющая^силы тяжести Р больше силы трения FTp. Следовательно, в предельном случае(начало скольжения тела) F = FTp, или

Р sin a — fN = fP cos а, откудаТаким образом, коэффициент трения равен тангенсу угла а0, при котором начинается скольжение тела по наклонной плоскости.Для гладких поверхностей определенную роль начинает играть межмолекулярное притяжение. Для них применяется закон трения скольжениягде /1|СТ — истинный коэффициент трения скольжения; S — площадь контакта между телами; р0 — добавочное дав-ление, обусловленное силами межмолекулярного притяжения, которые быстро уменьшаются с увеличением расстояния между частицами.Трение играет большую роль в природе и технике. Благодаря трению движется транспорт, удерживается забитый в стену гвоздь и т.д. В некоторыхслучаях силы трения оказывают вредное действие и поэтому их надо уменьшать. Для этого на трущиеся поверхности наносят смазку (сила трения уменьшается примерно в 10 раз), которая заполняет неровности между этими поверхностями и располагается тонким слоем между ними так, что поверхности как бы перестают касаться друг друга, а скользят относительно друг друга отдельные слои жидкости. Таким образом, внешнее трение твердых тел заменяется значительно меньшим внутренним трением жидкости.Радикальным способом уменьшения силы трения является замена трения скольжения трением качения (шариковые и роликовые подшипники и т.д.).Сила трения качения определяется по закону, установленному Кулоном: тр fK >Ггде /к — коэффициент трения качения,имеющий размерность dim/K = L\ r —радиус катящегося тела.Из (8.1) следует, что сила трения качения обратно пропорциональна радиусу катящегося тела.

Си́ла упру́гости — сила, возникающая при деформации тела и противодействующая этой деформации.В случае упругих деформаций является потенциальной. Сила упругости имеет электромагнитную природу, являясь макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия. В простейшем случае растяжения/сжатия тела сила упругости направлена противоположно смещению частиц тела, перпендикулярно поверхности. Вектор силы противоположен направлению деформации тела (смещению его молекул). Fупр=-KX

Закон Гука

Основная статья: Закон Гука. В простейшем случае одномерных малых упругих деформаций формула для силы упругости имеет вид:где — жёсткость тела, — величина деформации .В словесной формулировке закон Гука звучит следующим образом:Сила упругости, возникающая при деформации тела, прямо пропорциональна удлинению тела и направлена противоположно направлению перемещения частиц тела относительно других частиц при деформации.

Сила тяжести Сила тяжести

Сила тяжести, действующая на любую материальную частицу, находящуюся вблизи земной поверхности, сила Р, определяемая как геометрическая сумма силы притяжения Земли F и центробежной (переносной) силы инерции Q учитывающей эффект суточного вращения Земли (см. рис.). Направление С. т. является направлением вертикали в данной точке земной поверхности, а перпендикулярная к ней плоскость — горизонтальной плоскостью; углы l и j определяют соответственно геоцентрическую и астрономическую широты.Величина Q = mhw2 (где т масса частицы, h её расстояние от земной оси, w — угловая скорость вращения Земли) ввиду малости w2 очень мала по сравнению с F; поэтому С. т. мало отличается от силы притяжения. При перемещении вдоль поверхности Земли от полюса к экватору значение С. т. несколько убывает вследствие возрастания Q и несферичности Земли: на экваторе С. т. примерно на 0,5% меньше, чем на полюсе. Разность между углами (j и l тоже невелика (наибольшая около 11¢ при l = 45°). Под действием С. т. частица получает ускорение g = Р/т, называется ускорением силы тяжести, которое изменяется с широтой так же, как С. т. Во всех точках области, размеры которой малы по сравнению с радиусом Земли, С. т. можно считать равными и параллельными друг другу, т. е. образующими однородное силовое поле. В этом поле потенциальная энергия частицы П = Pz, где z — координата частицы, отсчитываемая по вертикали вверх от некоторого начального уровня, а при перемещении частицы из положения, где z = z1, в положение, где z = z2, работа С. т. А = P (z1 — z2) и не зависит от траектории и закона движения частицы. Действие С. т. существенно влияет почти на все явления и процессы, происходящие на Земле как в природе (включая живую), так и в технике