2.5 Сили тертя. Сили тертя спокою, ковзання, кочення

Сили, що виникають при рухові одного тіла по поверхні другого, називаються силами зовнішнього тертя, а сили, які виникають при відносному русі шарів речовини, називається внутрішнім тертям. Будемо спочатку розглядати зовнішнє сухе (без змащування рідиною контактуючих поверхонь) тертя, яке буває трьох видів: 1) тертя спокою; 2) тертя ковзання; 3) тертя кочення.

Сила тертя спокою виникає між контактуючими поверхнями тіл без їх відносного руху. Вона виникає за рахунок сил міжмолекулярної взаємодії і за рахунок зачеплення мікро- нерівностей (рис.3.7). Деформації мікронерівностей (деформація згинання) виникають пружні сили, які і зрівноважують зовнішню, паралельну до поверхонь силу F_τ. Наглядно картину контакту моделюють дві щітки, вставлені ворсом одна в іншу (рис 3.8). У відповідності з першим законом Ньютона тіло не рухається, коли рівнодіюча сил дорівнює нулю. Тому в загальному випадку сила тертя спокою дорівнює зовнішній силі, яки направлена паралельно контактуючим поверхням і протилежна їй за напрямком,

.

Але сила тертя спокою не може зростати до нескінченності при зростанні сили F_τ. В деякий момент тіло прийде в рух. В момент перед початком руху сила тертя спокою досягає свого максимального значення. Вести мову про силу тертя спокою втрачає сенс. Виникає сила тертя ковзання.

Сила тертя ковзання має таку ж природу, як і тертя спокою. Але при відносному русі нерівності не встигають глибоко зачепитись між собою, а як би пролітають одна над іншою. Тому сила тертя ковзання менша від тертя спокою. Але при великих швидкостях відносного руху нерівності починають руйнуватись, на що необхідно затратити певну енергію. Тому сила тертя ковзання зростає, і може навіть стати більшою, ніж сила тертя спокою (див. рис.). Сила терта ковзання дорівнює добуткові коефіцієнта тертя ковзання k і сили нормального тиску N

. (2.8)

Сила тертя кочення має іншу природу, ніж дві попередні.

Коли колесо не рухається, картина деформації поверхонь симетрична відносно вертикального діаметра (рис. а).

Сила нормальної реакції опори N проходить через центр колеса. Тому її момент сили дорівнює нулю. При рухові колеса, воно весь час викочується з деформаційної лунки, яку саме ж утворило, а за колесом поверхня не встигає відновити свою форму (рис. б) за рахунок так званого явища пружної післядії (для відтворення форми після деформації необхідний деякий час). Сила нормальної реакції N проходить попереду центра колеса. Виникає момент цієї сили, який і гальмує рух колеса. Горизонтальна складова сили загальної реакції Re і є сила тертя ковзання, яка обернено пропорційна радіусу колеса

. (2.9)

2.6 Сила тяжіння. Закон всесвітнього тяжіння. Гравітаційне поле та його напруженість

Одним із фундаментальних видів взаємодії в природі є гравітаційна взаємодія. Закон гравітаційної взаємодії був сформульований І.Ньютоном у 1686 році. Сила, з якою притягуються два тіла прямо пропорційна добуткові мас m₁ і m₂ цих тіл, обернено пропорційна квадрату відстані r між їх центрами мас і направлена по лінії, яка з’єднує центри мас тіл

. (2.10)

Гравітаційну сталу γ = 6,67∙10^-11 Н∙м²/кг² вперше виміряв англ. фізик Г.Кавендіш у 1798 році. Така взаємодія відбувається через особливу форму матерії – гравітаційне поле. Кожна маса утворює навколо себе гравітаційне поле, яке потім діє на іншу масу, поміщену в це поле. Кількісною силовою характеристикою гравітаційного поля є його напруженість. Це сила, яка діє з боку поля на тіло одиничної маси.

. (2.11)

Вимірюється напруженість [G] = Н/кг = (кг∙м)/(с²∙кг) = м/с² в одиницях прискорення. Дійсно, якщо знехтувати добовим обертанням Землі, гравітаційну силу можна прирівняти силі тяжіння mg. Одержуємо

. (2.12)

Отже, прискорення вільного падіння є напруженість гравітаційного поля Землі.