Силой трения называют силу, которая возникает при движении одного тела по поверхности другого. Она всегда направлена противоположно направлению движения. Сила трения прямо пропорциональна силе нормального давления на трущиеся поверхности и зависит от свойств этих поверхностей. Законы трения связаны с электромагнитным взаимодействием, которое существует между телами.

Различают трение внешнее и внутреннее .

Внешнее трение возникает при относительном перемещении двух соприкасающихся твердых тел (трение скольжения или трение покоя).

Внутреннее трение наблюдается при относительном перемещении частей одного и того же сплошного тела (например, жидкость или газ).

Различают сухое и жидкое (или вязкое ) трение.

Сухое трение возникает между поверхностями твердых тел в отсутствие смазки.

Жидким (вязким) называется трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой или ее слоями.

Сухое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения .

Рассмотрим законы сухого трения (рис. 4.5).

Рис. 4.5

Рис. 4.6

Подействуем на тело, лежащее на неподвижной плоскости, внешней силой , постепенно увеличивая ее модуль. Вначале брусок будет оставаться неподвижным, значит, внешняя сила уравновешивается некоторой силой , направленной по касательной к трущейся поверхности, противоположной силе . В этом случае и есть сила трения покоя.

Установлено, что максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения тел и приблизительно пропорциональна модулю силы нормального давления N :

μ 0 – коэффициент трения покоя , зависящий от природы и состояния трущихся поверхностей.

Когда модуль внешней силы, а следовательно, и модуль силы трения покоя превысит значение F 0 , тело начнет скользить по опоре – трение покоя F тр.пок сменится трением скольжения F ск (рис. 4.6):

F тр = μ N ,

(4.4.1)

Где μ – коэффициент трения скольжения.

Трение качения возникает между шарообразным телом и поверхностью, по которой оно катится. Сила трения качения подчиняется тем же законам, что и сила трения скольжения, но коэффициент трения μ ; здесь значительно меньше.

Подробнее рассмотрим силу трения скольжения на наклонной плоскости (рис. 4.7).

На тело, находящееся на наклонной плоскости с сухим трением, действуют три силы: сила тяжести , нормальная сила реакции опоры и сила сухого трения . Сила есть равнодействующая сил и ; она направлена вниз, вдоль наклонной плоскости. Из рис. 4.7 видно, что

F = mg sin α, N = mg cos α.

Рис. 4.7

Если – тело остается неподвижным на наклонной плоскости. Максимальный угол наклона α определяется из условия (F тр) max = F или μ mg cosα = mg sinα, следовательно, tg α max = μ, где μ – коэффициент сухого трения.

F тр = μN = mg cosα,
F = mg sinα.

При α > α max тело будет скатываться с ускорением

a = g (sinα - μ cosα),
F ск = ma = F - F тр.

Если дополнительная сила F вн, направленная вдоль наклонной плоскости, приложена к телу, то критический угол α max и ускорение тела будут зависеть от величины и направления этой внешней силы.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Из второго уравнения:

Сила трения:

Подставив выражение для силы трения в первое уравнение, получим:

При торможении до полной остановки скорость автобуса падает от значения до нуля, поэтому автобуса:

Приравнивая правые части соотношений для ускорения автобуса при аварийном торможении, получим:

откуда время до полной остановки автобуса:

Ускорение свободного падения м/с

Подставив в формулу численные значения физических величин, вычислим:

Ответ Автобус остановится через c.

ПРИМЕР 2

Задание	Небольшое тело положили на наклонную плоскость, составляющую угол с горизонтом, и отпустили. Какое расстояние пройдет тело за 3 с, если коэффициент трения между ним и поверхностью 0,2?
Решение	Выполним рисунок и укажем все силы, действующие на тело. На тело действуют сила тяжести , сила реакции опоры и сила трения Выберем систему координат, как показано на рисунке, и спроектируем это векторное равенство на оси координат: Из второго уравнения:

Доклад

Закон сухого трения. Моделирование фрикционных автоколебаний. Модели Барриджа и Кнопова

Сухое трение возникает между поверхностями твердых тел в отсутствие смазки.

Сухое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения .

Законы сухого трения были сформулированы Кулоном. Величина максимальной силы трения покоя / № вг зависит от величины силы нормального давления между поверхностями. Если в нашем опыте (рис. 87) увеличивать силу нормального давления, то примерно пропорционально этой силе будет возрастать и величина того груза, который нужно положить на чашку, чтобы возникло скольжение.

Законы сухого трения применимы для твердых поверхностей. Смазка лыж нужна не столько для уменьшения трения, сколько для устранения возможного прилипания снега к лыжам.

Рассмотрим законы сухого трения .

Рассмотрим сначала законы сухого трения . Такое трение возникает не только при скольжении одного тела по поверхности другого, но и при всякой попытке вызвать такое скольжение. В последнем случае трение называется трением покоя или трением сцепления. Наличие трения покоя - характерная д особенность сухого трения. В более общем смысле, безотносительно к тому, между какими телами возникает трение, оно называется сухим, если силы трения не исчезают при обращении в нуль относительных скоростей соприкасающихся тел. В противоположном случае трение называется жидким. Приложим затем к бруску горизонтальную силу, лежащую в вертикальной плоскости, проходящей через его центр масс, как можно ближе к поверхности стола, чтобы предотвратить опрокидывание бруска, когда он придет в движение. Опыт показывает, что если сила не превосходит некоторой определенной величины, то брусок не приходит в движение. Это и есть сила трения, а именно трения покоя. Такая же сила трения, но в противоположном направлении, действует на поверхность стола со стороны бруска.

Вибродиагностика параметров сухого некулонова трения при фрикционных автоколебаниях

Динамические процессы в механических устройствах с контактирующими и трущимися элементами в кинематических парах, таких как направляющие суппортов станков, робототехнические системы, фрикционные муфты, сцепления, подшипники скольжения валов и др., могут сопровождаться возникновением сложных и плохо контролируемых, а значит, и таких трудно устранимых явлений, как фрикционные автоколебания. Результатом фрикционных автоколебаний в машинах является снижение показателей качества технологических процессов, точности позиционирования, усталостные разрушения и повышенные износы деталей.

Причиной возникновения фрикционных автоколебаний является нелинейная «падающая» характеристика силы сухого трения от скорости относительного скольжения контактирующих поверхностей. В этой связи определение динамических, то есть постоянно изменяющихся во времени и в функции других величин, параметров сухого некулонова трения носит важный и актуальный характер. Решение этой задачи позволит эффективнее осуществлять диагностику трущихся и контактирующих узлов машин, делать надежный прогноз динамического поведения их кинематических пар, например, прогнозирование фрикционных автоколебаний, а также обеспечит возможность целенаправленного управления процессом трения. Идентифицируемые параметры действующих нелинейных сил сухого трения могут быть использованы в качестве диагностических признаков для оценки технического состояния такого класса объектов, в том числе на дихотомическом уровне («годен» - «негоден»).

Однако непосредственное измерение действующих сил сухого трения возможно лишь триботехническими методами и подходами и весьма сложно реализуемо в упругих колебательных системах. Поэтому для идентификации динамических параметров сухого трения приходится использовать косвенные методы, основанные на измерении колебательного отклика в динамической системе.

Рассмотрим один из предлагаемых методов идентификации параметров сухого некулонова трения, реализуемый при исследовании фрикционных автоколебаний.

Расчетная динамическая схема рассматриваемой системы представлена на рис. 1.

Рис. 1. Расчетная динамическая схема системы для исследования фрикционных автоколебаний

Дифференциальное уравнение динамики данной системы имеет вид:

,

где C - коэффициент жесткости упругого элемента;- коэффициент вязкого сопротивления;=const - постоянная скорость перемещения правого конца упругого элемента;

закон изменения силы сухого некулонова трения с падающей характеристикой от скорости (рис. 2).

Таким образом, предложенная методика, испытательный стенд и аппаратурно-вычислительный комплекс для исследования динамики фрикционных автоколебательных процессов позволяют проводить идентификацию динамических параметров силы сухого некулонова трения и реализовывать на этой основе процедуры вибрационной диагностики различных пар трения, предрасположенных к возникновению фрикционных автоколебаний.

Модель Барриджа и Кнопова

Модель Барриджа-Кнопова (Б-К), была создана более 40 лет тому назад с целью объяснить появление повторных ударов при землетрясениях.

трение кулон качение скольжение

Суть модели Б-К можно понять из рисунка, на котором показано, что движущаяся плита соединена с неподвижной плитой посредством N дискретных элементов (блоков), связанных между собой и плитами посредством «пружин». Рассмотрим один из блоков. Идея данной модели заключается в том, что пока на этот блок действует сила, меньшая заданной пороговой, он неподвижен. При достижении порога блок «срывается» скачкообразно. Взаимное влияние блоков, заключающееся в том, что сорвавшийся тянет за собой и другие, может привести к одновременному срыву сразу нескольких соседних элементов системы. Это, по Б-К, и есть «главный удар» землетрясения, в то время как «прыжки» других блоков, это повторные удары, или афтершоки. Модель Б-К исследовалась в лаборатории экспериментально и на компьютере, - численно. В результате было показано, что модель проявляет свойства, присущие экспериментальному закону повторяемости землетрясений Гутенберга-Рихтера. В экспериментах наблюдалось подобие главного удара (main shock), форшоков и афтершоков.

При экспериментальном изучении поведения образцов горных пород при нагружении внешним давлением было обнаружено, что действующая на образец сила изменяется в зависимости от величины регистрируемого изменения длины образца в «виде пилы». Б-К модель нашла геологическое объяснение этим результатам как «прерывистое скольжение» (stick-slip) двух плит друг по другу вдоль разлома при наличии трения.

Несмотря на то, что модель Б-К была предложена еще во второй половине прошлого века, интерес к ней у ученых возрос лишь в последние годы. Это объясняется тем, что наметились определенные успехи в физике нелинейных явлений, в частности, в области самоорганизующихся систем. Модель Б-К была признана как вполне подходящая основа для отработки этих идей и моделирования соответствующих систем. Кроме этого, в настоящее время принято считать, что эта модель, из всех других, наиболее адекватна описывает процесс землетрясения.

Все Б-К модели подчиняются экспериментальному закону Гутенберга-Рихтера, согласно которому число землетрясений N с энергией Е:

Опишем детально двумерную версию модели Б-К. Все блоки системы находятся на платформе. Между платформой и блоками есть трение. Каждый блок системы соединен с четырьмя соседями с помощью пружин. Также, каждый блок еще одной пружиной присоединен к верхней большой движущейся платформе. Движение блоков вызывается относительным смещением двух плит. Когда сила, действующая на блок становится больше некоторой пороговой (Fcritical, максимальное значение трения покоя), блок «срывается». В модели предполагается, что после срыва на блок действует нулевая сила (т.е. равнодействующая равна нулю), а силы, действующие на соседей, пересчитываются. Это может привести к срыву кого-то из соседей, а значит к цепной реакции (землетрясению). Общее количество сорвавшихся в одном таком процессе ячеек и задает размер соответствующего землетрясения. Для начала, представим данную двухмерную блочно-пружинную модель в виде клеточного автомата. Зададим массив блоков размером L1xL2, каждому блоку поставим в соответствие его координаты (i, j). 1≤i≤L1, 1≤j≤L2.

Через xi,j обозначено смещение блока (i, j) от положения равновесия. Полная сила, приложенная к этому блоку, задается выражением:

Где К1, К2, КL - коэффициенты жесткости соответствующих пружин, xi,j - смещение блока (i, j) относительно положения равновесия. При движении одной из плит относительно другой сила, действующая на каждый блок, растет постоянно, пока не достигнет критического значения, после чего начнется процесс релаксации.

Сила трения. Виды сил сухого трения

Силы трения появляются при перемещении соприкасающихся тел или их частей друг относительно друга. Трение, возникающее при относительном перемещении двух соприкасающихся тел, называется внешним; трение между частями одного и того же сплошного тела (например, жидкости или газа) носит название внутреннего трения .

Силу трения, возникающую при движении твердого тела относительно жидкой или газообразной среды, следует отнести к категории сил внутреннего трения , поскольку в этом случае слои среды, непосредственно соприкасающиеся с телом, вовлекаются им в движение с той же скоростью, какую имеет тело, и на движение тела оказывает влияние трение между этими внешними по отношению к ним слоями среды.

Определение 1

Трение между поверхностями двух твердых тел при отсутствии какой-либо прослойки, например смазки между ними, называется сухим . Трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой, а также между слоями такой среды называется вязким (или жидким). Применительно к сухому трению различают трение скольжения , трение качения и трение покоя .

Сила трения скольжения

Сила трения скольжения возникает, когда одно тело перемещается по поверхности другого. Чем больше вес тела, и чем больше коэффициент трения между данными поверхностями (коэффициент зависит от материала, из которого сделаны поверхности), тем больше сила трения скольжения.

Сила трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей. При движении брусок, лежащий на своей большой по площади грани, будет иметь такую же силу трения скольжения, как если его положить на самую маленькую грань.

Причины возникновения силы трения скольжения:

Мельчайшие неровности поверхностей двух тел - ими тела цепляются друг за друга при движении. Если бы не было силы трения скольжения, то тело, приведенное в движение кратковременным действием на него силы, продолжало бы двигаться равномерно. Однако, поскольку сила трения скольжения существует, и она направлена против движения тела, то тело постепенно останавливается.

Межмолекулярные взаимодействия на соприкасающихся поверхностях двух тел. Данное взаимодействие может возникнуть только на очень гладких, хорошо отполированных поверхностях. Молекулы разных тел оказываются очень близко друг к другу и притягиваются. Из-за этого движение тела тормозится.

Вектор силы трения скольжения $\overline{F}_{mp} $всегда направлен противоположно вектору скорости движения тела относительно соприкасающегося с ним тела. Поэтому действие силы трения скольжения всегда приводит к уменьшению модуля относительной скорости тел.

Сила трения качения

Сила трения качения возникает, когда по поверхности одного тела, перекатывается другое, обычно круглой формы. Например, катятся колеса транспортных средств на дороге, перевернутая на бок бочка с пригорка, шарик по полу. Сила трения качения намного меньше силы трения скольжения. Вспомните, большую сумку легче вести на колесиках, чем волоком тащить по земле. Причина кроется в разном способе контакта между движущимся телом и поверхностью. При качении колесо как бы вдавливает, подминает под себя поверхность, отталкивается от нее. Катящемуся колесу не приходится цеплять множество мелких неровностей поверхности, как при скольжении тел.

Замечание 1

Чем тверже поверхность, тем меньше сила трения качения. Например, по песку ехать на велосипеде труднее, чем по асфальту, так как на песке приходится преодолевать большую силу трения качения. Это связано с тем, что отталкиваться от твердых поверхностей легче, они не сильно вдавливаются. Можно сказать, что сила, которая действует со стороны колеса на твердую поверхность, не расходуется на деформацию, а почти вся возвращается в виде силы нормальной реакции опоры.

Сила трения покоя

Сила, возникающая на границе соприкосновения тел при отсутствии относительного движения тел, называется силой трения покоя.

Сила трения покоя $\overline{F}_{mp} $равна по модулю внешней силе $\overline{F}$, направленной по касательной к поверхности соприкосновения тел, и противоположна ей по направлению:

Сила трения покоя~окружает нас повсеместно. Все предметы, которые лежат на других телах, удерживаются силой трения покоя. Силы трения покоя даже хватает, чтобы удерживать предметы на наклоненных поверхностях. Например, человек может стоять на склоне холма, брусок неподвижно лежать на слегка наклоненной линейке. Кроме того, благодаря силе трения покоя возможны такие формы движения, как ходьба и езда. В этих случаях происходит «сцепление» с поверхностью за счет силы трения покоя, в результате появляется возможность отталкиваться от поверхности.

Причины силы трения покоя такие же, как у силы трения скольжения.

Сила трения покоя возникает, когда пытаются сдвинуть стоящее тело. Пока сила, пытающаяся двигать тело, меньше силы трения покоя, тело будет оставаться на месте. Как только эта сила превысит определенную максимальную силу трения покоя для данных двух тел, одно тело начнет двигаться относительно другого, и на него уже будет действовать сила трения скольжения или качения.

Замечание 2

В большинстве случаев максимальная сила трения покоя немного превосходит силу трения скольжения. Так, чтобы начать двигать шкаф, надо сначала приложить чуть больше усилий, чем прикладывать их, когда шкаф уже двигается. Часто разницей между силами трения покоя и скольжения пренебрегают, считая их равными.

В простейшей модели сухого трения выполняются следующие законы. Они являются обобщением опытных фактов и носят приближённый характер:

максимальная величина силы трения покоя равна силе трения скольжения;

абсолютная величина силы трения скольжения прямо пропорциональна силе реакции опоры: $\overline{F}_{mp} =\mu N$, а коэффициент пропорциональности $\mu $ называется коэффициентом трения;

коэффициент трения не зависит от скорости движения тела по шероховатой поверхности;

коэффициент трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

Пример 1

Ученики установили магнит массой $30$ г к школьной доске. Магнит прижимается к доске с силой $6 H$. Какую силу нужно приложить для скольжения магнита вниз и перемещения его вертикально вверх, если коэффициент трения равен $0,3$?

Дано: $m=30$г, $N=6 H$, $\mu =0,3$.

Найти: $F_{1} $, $F_{2} $-?

Решение:

Рисунок 1.

Для того чтобы сдвинуть магнит вниз, сумма силы тяжести $mg$ и дополнительно приложенной силы $F_{1} $ должна быть равной силе трения $F_{B@} $ (или быть больше):

$mg+F=F_{mp} $ (1).

Из формулы (1) и из общей формулы для силы трения

находим искомую силу, необходимую для скольжения магнита вниз:

$F_{mp} =\mu N$($N$- сила с которой магнит прижимается к доске):

$F_{1} =\mu N-mg=1,5 H$.

Для силы, направленной вверх, уравнение (1) примет вид:

$F_{2} =\mu N+mg=2,1 H$

Ответ: $F_{1} =1,5 H$, $F_{2} =2,1 H$.

Трение – один из видов взаимодействия тел. Оно возникает при соприкосновении двух тел. Трение, как и все другие виды взаимодействия, подчиняется третьему закону Ньютона: если на одно из тел действует сила трения, то такая же по модулю, но направленная в противоположную сторону сила действует и на второе тело. Силы трения, как и упругие силы, имеют электромагнитную природу. Они возникают вследствие взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел.

Силами сухого трения называют силы, возникающие при соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки. Они всегда направлены по касательной к соприкасающимся поверхностям.

При движении твердого тела в жидкости или газе возникает силa вязкого трения . Сила вязкого трения значительно меньше силы сухого трения. Она также направлена в сторону, противоположную относительной скорости тела. При вязком трении нет трения покоя .

При достаточно малых скоростях величина силы вязкого трения пропорциональна скорости относительного движения υ тел, пропорциональна площади S и обратно пропорциональна расстоянию между плоскостями h .

Коэффициент пропорциональности, зависящий от сорта жидкости или газа, называют коэффициентом динамической вязкости .

Сила вязкого трения сильно зависит от скорости тела. При малых скоростях F тр ~ υ, при больших скоростях F тр ~ υ 2 . При этом коэффициенты пропорциональности в этих соотношениях зависят от формы тела.

При стремлении двигать одно тело по поверхности другого в плоскости соприкосновения тел возникает сила сопротивления их относительному движению - скольжению, называемая силой трения. Основные закономерности этого явления можно сформулировать в виде законов:

1. При стремлении сдвинуть одно тело по поверхности другого в плоскости соприкосновения тел возникает сила трения - сцепления, величина которой может принимать любые значения от нуля до , называемой предельной силой трения.

Сила трения направлена в строну, противоположную той, куда действующая сила стремится сдвинуть тело.

2. Величина предельной силы трения равна произведению статического коэффициента трения на нормальное давление или нормальную реакцию:

Статический коэффициент трения, зависит от материала, температуры, влажности, смазки и т.д.

3. Величина предельной силы трения практически не зависит от размеров соприкасающихся при трении поверхностей.

Эти три закона полностью описывают явление.

Объединяя первый и второй законы получим, что при равновесии сила трения покоя или

При движении сила трения направлена в сторону, противоположную движению, и равна произведению динамического коэффициента трения на нормальное давление:

Динамический коэффициент трения кроме всего прочего зависит и от скорости движения одного тела по поверхности другого.