2. Силы трения покоя и скольжения

Силы трения в транспорте играют решающую роль. С одной стороны, они обусловливают образование силы тяги локомотива, тормозные силы, с другой стороны, препятствуют движению поезда силами сопротивления.

К огда два тела контактируют друг с другом, между ними возникают силы взаимодействия, называемые силами реакции. Нормальная составляющая силы реакции N, перпендикулярная плоскости касания, называется силой нормального давления. Касательная составляющая силы реакции называется силой трения F_тр. Сила трения препятствует относительному перемещению тел в касательной плоскости контакта и направлена противоположно возможному перемещению тел.

Исследуем силу трения. Приложим возрастающую по величине силу к телу, лежащему на плоской горизонтальной поверхности по касательной к этой поверхности. Вначале, как следует из опыта, по мере возрастания внешней силы F исследуемое тело находится в покое. Движению препятствует возникающая в зоне контакта сила трения, называемая силой трения покоя. Из условия равновесия тела сила трения покоя равна и направлена противоположно внешней касательной силе (рис. 2.3 ).

При дальнейшем росте силы F в некоторый момент начинается скольжение тела. Сила трения покоя, достигнув предельного значения, сменяется силой трения скольжения. Сила трения скольжения направлена против скорости относительного движения. Экспериментальные данные для силы трения скольжения имеют довольно большой разброс, так что точной зависимости представить невозможно. В курсе физики принимают простейшую зависимость – закон Кулона: сила трения скольжения пропорциональна силе нормального давления на тело со стороны опоры:

. (2.2)

То есть, чем сильнее прижато тело, тем больше сила трения скольжения. Коэффициент пропорциональности μ называется коэффициентом трения скольжения. Его значение зависит от рода соприкасающихся тел, свойств поверхности контакта, скорости скольжения. Например, при скольжении чугунной колодки по стальному бандажу колеса он равен 0,35–0,15, резины по сухому асфальту – 0,6–0,7.

З акон Кулона можно качественно обосновать. При прижатии двух тел друг к другу они касаются друг друга не по всей поверхности соприкосновения, а в отдельных пятнах контакта (рис. 2.4). Суммарная площадь S пятен контакта очень мала, и там возникают огромные напряжения сжатия, близкие к пределу текучести σ.

Микробугорки в месте касания пластически деформируются. Сила нормального давления тел обусловлена действием нормальных напряжений в пятнах контакта, и пропорциональна суммарной площади пятен: . В пятнах контакта молекулы соприкасающихся тел находятся настолько близко, что между ними возникают силы межмолекулярного взаимодействия. При попытке сдвинуть тела относительно друг друга силы взаимодействия препятствуют касательному смещению тел. Происходит малое упругое смещение тел на доли микрометра (крип), пропорциональное внешней силе. Сдвиг тел относительно друг друга и скольжение начнется тогда, когда касательные напряжения в пятнах контакта превысят предел прочности на срез материала тел. Противодействующая сила трения тем больше, чем больше молекулярных связей, то есть чем больше суммарная площадь пятен контакта: . Сравнивая с силой давления, получим, что сила трения скольжения пропорциональна силе нормального давления: .

Так как взаимодействие молекул осуществляется посредством электромагнитных сил, то по своей природе сила трения покоя и сила трения скольжения обусловлены электромагнитным взаимодействием.

Сила трения скольжения зависит от относительной скорости скольжения тел. Обычно сила трения скольжения с ростом скорости сначала уменьшается. Может быть, это связано с ослаблением межмолекулярных связей из-за кратковременности образования пятен контакта. По этой причине при движении поезда нельзя тормозить юзом, так как сила торможения в зоне контакта колеса и рельса, превратившись из силы трения покоя в силу трения скольжения, уменьшается. Движение юзом увеличивает тормозной путь и приводит к износу колеса (образованию ползунов), износу рельса.