Вопрос 22. Трение скольжения

Сопротивление, возникающее при скольжении одного тела по поверхности другого, называется трением скольжения.

Рассматривая равновесие несвободного твердого тела, вводилось допущение о том, что в случае, когда тело опирается на неподвижную поверхность в какой-нибудь точке А (рис.6.1), реакция опорной поверхности направлена по нормали к этой поверхности.

Это допущение не соответствует действительности. Реакция R_А неподвижной поверхности образует с нормалью к этой поверхности некоторый угол φ, так что эту силу можно разложить на две составляющие:

1. Силу N, направленную по нормали к опорной поверхности и называемую нормальной реакцией

2. Силу F, лежащую в плоскости, касательной к опорной поверхности, и противодействующую скольжению тела по этой поверхности. Эта сила называется силой трения скольжения.

Если соприкасающиеся тела достаточно твердые и хорошо отполированы, то сила F незначительна, и при приближенном решении задач ею можно пренебречь. Но при технических расчетах силу трения необходимо учитывать.

На неподвижную горизонтальную плоскость положен брусок весом Р. Приложим к этому бруску горизонтальную силу Q (рис.6.2). Если бы реакция неподвижной плоскости сводилась только к нормальной силе N, то горизонтальная сила Q, оставаясь неуравновешенной, заставила бы брусок скользить по плоскости. Но в действительности брусок остается в покое до тех пор, пока сила Q не достигнет определенной величины. Следовательно, кроме нормальной реакции N, возникает еще сила F, противоположная силе Q и препятствующая скольжению бруска. Эта сила F есть сила трения между бруском и опорной плоскостью.

Будем увеличивать силу Q. До тех пор пока брусок остается в равновесии, будем иметь: N=Р и F= Q

Из последнего равенства видно, что с увеличением силы Q возрастает и сила трения. Наконец, наступит момент предельного равновесия. Дальнейшее сколь угодно малое увеличение силы Q, вызовет скольжение бруска по плоскости. В этот момент сила F достигает максимального значения и при дальнейшем увеличении силы Q, она уже не сможет уравновесить эту силу.

Сила трения, проявляющаяся при покое тела, называется силой трения в покое или силой статического трения. Сила трения, возникающая при скольжении тела, называется силой трения в движении.

Из рассмотренного опыта видно, что модуль силы трения в покое может иметь любое значение, заключающееся между нулем и максимальным значением F_max, различным в зависимости от конкретных условий.

Возникновение силы трения скольжения объясняется тем, что поверхности трущихся тел не являются абсолютно гладкими, на ней всегда имеются выступы и углубления, которые вследствие их малых размеров не могут быть обнаружены простым глазом. Для того чтобы заставить одно тело скользить по другому, необходимо преодолеть возникающее при этом сопротивление микронеровностей, имеющихся на соприкасающихся поверхностях этих тел. Кроме того необходимо еще преодолевать силы молекулярного взаимодействия между частицами поверхностных слоев соприкасающихся тел. Таким образом, возникновение трения скольжения объясняется двумя причинами:

1. Шероховатостью поверхностей трущихся тел

2. Проявлением сил молекулярного взаимодействия этих тел.

Максимальная величина силы трения в покое прямо пропорциональна нормальному давлению одного тела на другое, или нормальной реакции.

Рис.6.1.Рис.6.2.

Рис.6.3. Рис.6.4.

Аналитический метод решения задач статики при наличии трения остается таким же, как и в случае, когда трением пренебрегаем. Различие состоит лишь в том, что в уравнениях равновесия появляются, кроме нормальных реакций, силы трения. При этом максимальное значение силы трения определяется по формуле . В большинстве случаев задач статики приходится вести расчет именно на максимальное значение силы трения. Условия равновесия тела при наличии трения выражаются неравенствами. Поэтому при наличии трения имеется не одно или несколько отдельных положений равновесия, а множество смежных положений равновесия тела, которые называются областью равновесия.