4.4. Силы трения

Внутреннее трение возникает при движении твердых тел относительно жидкой или газообразной среды, при этом слои среды, соприкасающиеся с телом, имеют ту же скорость, что и тело. На движение тела оказывает влияние трение между соприкасающимися с телом слоями жидкости или газа и внешними по отношению к ним слоями среды. Здесь, как и при движении слоев жидкости или газа относительно друг друга, имеет место внутреннее трение. Если твердые тела соприкасаются между собой (покоятся или движутся относительно друг друга), то возникает внешнее трение (сухое трение).

Сухое трение связано с шероховатостью поверхностей соприкaсающихся тел. При соприкосновении гладких твердых поверхностей также возникает трение, вызванное молекулярными силами сцепления.

Сухое трение разделяют на виды: трение покоя, трение скольжения, трение качения.

Трение покоя

Если брусок, лежащий на горизонтальной доске, тянуть за нитку, то он не сдвинется, пока сила тяги (рис. 4.7).

Рис. 4.7.

Силу тяги можно измерить динамометром. При брусок скачком срывается и затем движется равномерно. Это означает, что выполняется первый закон Ньютона:

. (4.29)

Действительно, согласно второму закону Ньютона

, (4.30)

если .

На основании опытных данных доказано, что трение покоя характеризуется силой

, (4.31)

где - сила реакции опоры; здесь - сила нормального давления; - коэффициент трения покоя, определяется из опыта, зависит от качества поверхностей соприкасающихся тел.

На рис. 4.8 указан угол трения

(4.32)

Рис. 4.8.

Коэффициент трения покоя можно определить, зная угол трения.

Угол трения равен наименьшему углу наклона плоскости к горизонту, при котором скатывающая сила становится равной силе трения покоя и тело начинает скользить по поверхности:

.

Трение скольжения

Сила трения скольжения, как и трения покоя, зависит от силы нормального давления и качества обработки поверхностей (закон Амонтона):

(4.33)

где  - коэффициент трения скольжения.

Трение скольжения возникает в результате износа и нагрева трущихся поверхностей.

Трение качения

Трение качения возникает при движении тел цилиндрической или сферической формы (рис. 4.9).

Сила трения качения имеет вид (закон Кулона):

(4.34)

где - коэффициент трения качения, ;

- радиус цилиндра.

Трение качения значительно меньше, чем трение скольжения.

Роль силы трения при движении тел

С

Рис. 4.9.

ила трения не только создает препятствия при движении тел. Именно трение дает возможность ему двигаться. При движении по поверхности необходимо прикладывать силу, направленную в сторону, противоположную движению. Сила трения, направленная в сторону движения, вызывает перемещение тела.

Внутреннее трение

П

50

ри движении твердого тела в жидкой или газообразной среде возникает сила сопротивления, которая называется силой внутреннего (вязкого) трения. Сила внутреннего трения значительно меньше, чем трение покоя или трение скольжения. Поэтому для уменьшения трения между движущимися частями механизмов применяется смазка. В отличие от сухого трения, вязкое трение обращается в ноль при скорости  = 0.

При небольших скоростях сила вязкого трения растет линейно со скоростью: а при больших скоростях она пропорциональна квадрату скорости: , где - коэффициенты, зависящие от размеров и формы тела и от свойства среды, называемого вязкостью.

Закон Ньютона позволяет найти силу вязкого трения при движении слоев жидкости:

, (4.35)

где - касательное напряжение; - коэффициент внутреннего трения, или вязкость; - градиент скорости вдоль нормали к поверхности; S - площадь поверхности соприкасающихся слоев жидкости.