Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар

§ 21. Тертя. Сила тертя

Французький фізик Ґійом Амонтон (1663-1705) писав: «Усім нам траплялося виходити в ожеледицю: скільки зусиль потрібно, щоб утриматися від падіння, скільки смішних рухів доводиться робити, аби встояти на ногах... Уявімо, що тертя зникло зовсім. Тоді ніякі тіла, чи то завбільшки з кам’яну брилу, чи то малі, як піщинки, ніколи не втримаються одне на одному. Якби не було тертя, Земля являла б собою кулю без нерівностей, подібну до рідкої краплини». Саме про силу тертя йтиметься в цьому параграфі.

1. Дізнаємося про силу тертя спокою

Якщо ви намагаєтесь пересунути важке тіло, наприклад, великий ящик, і не можете зрушити його з місця, то це означає, що силу, яку ви прикладаєте до ящика, зрівноважує сила тертя спокою, яка виникає між підлогою і нижньою поверхнею ящика (рис. 21.1).

Fтертя сп = F.

Таким чином, для кожного випадку сила тертя спокою не може перевищувати певного максимального значення.

Найчастіше дія сили тертя спокою є дуже «корисною»: завдяки їй речі не вислизають із рук, не розв’язуються вузли; ця сила утримує піщини в купі піску, важкі камені на схилі гори, коріння рослин у ґрунті. Саме сила тертя спокою є тією силою, завдяки якій пересуваються люди, тварини, транспорт (рис. 21.3).

У техніці, на транспорті, в побуті досить часто вживають заходів, щоб поверхня одного тіла не рухалася відносно поверхні іншого. Наприклад, для збільшення максимальної сили тертя спокою тротуари під час ожеледиці посипають піском, узимку автомобілі «перевзувають» у зимові шини.

Спробуйте навести ще кілька подібних прикладів.

Рис. 21.3. Ступні людини в момент дотику з поверхнею дороги намагаються, по суті, здійснити рух назад. Через це виникає сила тертя спокою, напрямлена вперед,— «рушійна» сила

2. З’ясовуємо, від чого залежить сила тертя ковзання

Рис. 21.4. Сила тертя ковзання діє вздовж поверхні дотику тіла та опори і завжди напрямлена в бік, протилежний напрямку руху тіла

Рис. 21.5. У ході ковзання того самого тіла по різних поверхнях виникає різна сила тертя ковзання: дерев’яний брусок ковзає по дерев’яній дошці (а); склу (б); наждаковому паперу (в)

Сила тертя ковзання діє вздовж поверхні дотику тіл (рис. 21.4) і трохи менша за максимальну силу тертя спокою. Саме тому тіла починають рухатися з місця ривком і зрушити їх важче, ніж потім рухати. Це особливо помітно, коли тіла є масивними.

Прикріпимо до дерев’яного бруска гачок динамометра і будемо рівномірно тягти брусок по горизонтальній поверхні (рис. 21.5). На брусок у напрямку його руху діє сила пружності з боку пружини динамометра, а в протилежному напрямку — сила тертя ковзання. Брусок рухається рівномірно, тому сила пружності зрівноважує силу тертя ковзання. Отже, динамометр показує значення сили тертя ковзання.

Розгляньте рис. 21.5 і зробіть висновок щодо залежності сили тертя ковзання від властивостей дотичних поверхонь.

Зверніть увагу: якщо провести ті самі досліди, перевернувши брусок на меншу грань, покази динамометра будуть тими самими. Сила тертя ковзання не залежить від площі дотичних поверхонь.

Проведемо ще один дослід. Покладемо на брусок додатковий тягар, збільшивши в такий спосіб силу нормальної реакції опори (рис. 21.6). Дослід покаже, що сила тертя ковзання зросте.

Рис. 21.6. Сила тертя ковзання зросте, якщо збільшити силу, що притискає тіло до поверхні стола

Сила тертя ковзання прямо пропорційна силі нормальної реакції опори*:

де N — сила нормальної реакції опори**; μ — коефіцієнт пропорційності, який називають коефіцієнт тертя ковзання.

* Цей закон був установлений французьким вченим Ґ. Амонтоном і перевірений його співвітчизником Ш. Кулоном, тому й отримав назву закон Амонтона — Кулона.

** N = mg, якщо на горизонтальній поверхні на тіло у вертикальному напрямку не діють ніякі сили, крім сили тяжіння та сили нормальної реакції опори.

Оскільки і силу тертя ковзання, і силу нормальної реакції опори вимірюють у ньютонах, то коефіцієнт тертя ковзання є величиною, що не має розмірності:

Коефіцієнт тертя ковзання визначається, зокрема, матеріалами, з яких виготовлені дотичні тіла, та якістю обробки їхніх поверхонь.

Значення коефіцієнтів тертя ковзання встановлюють виключно експериментально. Зазвичай таблиці коефіцієнтів тертя ковзання містять орієнтовні середні значення для пар матеріалів (див. таблицю).

Матеріали

Коефіцієнт тертя ковзання

Сталь по льоду

0,02

Сталь по сталі

0,15

Бронза по бронзі

0,20

Дерево по дереву

0,25

Папір (картон) по дереву

0,40

Шкіра по чавуну

0,56

Гума по бетону

0,75

3. З’ясовуємо причини виникнення та способи зменшення сили тертя

Поверхні твердих тіл завжди є шорсткими, нерівними. Під час руху або спроби руху нерівності чіпляються одна за одну й деформуються або навіть зминаються. У результаті виникає сила, що протидіє руху тіла (рис. 21.7). Сила тертя, як і сила пружності, — прояв сил міжмолекулярної взаємодії.

Здавалося б, для зменшення сили тертя слід ретельно відполірувати поверхні і таким чином звести до мінімуму розміри нерівностей, однак такі поверхні настільки щільно прилягатимуть одна до одної, що значна кількість молекул опиниться на відстані, на якій стає суттєвим міжмолекулярне притягання. Це може спричинити зростання сили тертя*.

Силу тертя ковзання можна зменшити, якщо змастити поверхні. Мастило, переважно рідке, потрапивши між дотичними поверхнями, віддалить їх одну від одної. Тобто ковзатимуть не поверхні тіл, а шари мастила,— тертя ковзання (так зване сухе тертя) заміниться на в’язке (рідке) тертя, за якого сила тертя є істотно меншою.

Рис. 21.7. Виникнення сили тертя пов’язане з наявністю нерівностей на поверхнях дотичних тіл

* Дослідження тертя та обґрунтування причин його виникнення є досить складними і виходять за межі шкільного курсу фізики.

Рис. 21.8. Якщо під дерев’яний брусок підкласти круглі олівці, то пересувати брусок по столу стане значно легше

Рис. 21.9. Заміна ковзання на кочення приводить до зменшення сили тертя

4. Дізнаємося про силу тертя кочення

Давній досвід людства показує, що важку кам’яну брилу легше перекочувати на колодах, ніж просто тягти по землі.

Якщо одне тіло котиться вздовж поверхні іншого, то маємо справу з тертям кочення. Сила тертя кочення зазвичай набагато менша, ніж сила тертя ковзання (рис. 21.8, 21.9). Саме тому для зменшення сили тертя людство здавна використовує колесо, а в різноманітних машинах і механізмах — підшипники (рис. 21.10).

Рис. 21.10. Кулькові та роликові підшипники

5. Учимося розв’язувати задачі

Задача. Щоб рівномірно рухати по столу книжку масою 1 кг, треба прикласти горизонтальну силу 2 Н. Чому дорівнює коефіцієнт тертя ковзання між книжкою і столом?

Книжка рухається рівномірно, отже, сили, які діють на неї, попарно скомпенсовані: F = Fтертя ковз, N = Fтяж. За цих умов і знайдемо шуканий коефіцієнт тертя.

Підбиваємо підсумки

Сила тертя спокою (Fтертя сп) — це сила, яка виникає між двома дотичними тілами в разі спроби зрушити одне тіло відносно другого. Сила тертя спокою завжди перешкоджає появі відносного руху дотичних тіл, дорівнює за значенням і протилежна за напрямком силі F, що намагається зрушити тіло: Fтертя сп = F.

Сила тертя ковзання (Fтертя ковз) — це сила, яка виникає під час ковзання одного тіла по поверхні іншого. Сила тертя ковзання прямо пропорційна силі нормальної реакції опори N: Fтертя ковз = μΝ, де μ — коефіцієнт тертя ковзання, що залежить від матеріалів, із яких виготовлені дотичні тіла, якості обробки їхніх поверхонь. Змащування поверхонь суттєво зменшує силу тертя.

Під час кочення одного тіла вздовж поверхні іншого виникає сила тертя кочення, яка зазвичай менша за силу тертя ковзання.

Контрольні запитання

1. Які види тертя ви знаєте? 2. Яка сила заважає зрушити з місця велику шафу? Куди напрямлена ця сила? 3. Чому силу тертя спокою називають рушійною силою? 4. Навіщо взимку тротуари посипають піском? 5. Коли спостерігається сила тертя ковзання і від яких чинників вона залежить? 6. Чому в таблиці коефіцієнтів тертя ковзання надано пари матеріалів, а не кожний матеріал окремо? 7. Чому виникає сила тертя ковзання? 8. Як можна зменшити силу тертя ковзання? 9. Чому кругле тіло котити легше, ніж тягти?

Вправа № 21

1. Чи діє сила тертя на книжку, яка вільно лежить на горизонтальному столі?

2. Щоб відкрутити гайку, треба докласти зусиль. Чому гайка набагато легше відкручується, якщо гвинт, на який накручено гайку, змастити?

3. До бруска, розташованого на горизонтальній поверхні стола, за допомогою динамометра прикладають горизонтальну силу 3 Н. Брусок при цьому рухається рівномірно в напрямку дії сили.

  • а) Чому дорівнює сила тертя, що діє на брусок?
  • б) Як поводитиметься брусок і якою буде сила тертя, якщо динамометр показуватиме 2 Н?

4. Намагаючись зрушити з місця шафу, до неї прикладають горизонтальну силу, що поступово збільшується. Шафа почала рухатися, коли сила досягла 175 Н.

  • а) Як змінювалася сила тертя між шафою та підлогою?
  • б) Що відбуватиметься, якщо силу збільшувати ще?
  • в) Яким є коефіцієнт тертя ковзання між шафою та підлогою, якщо маса шафи становить 70 кг?

5. За допомогою пружини жорсткістю 96 Н/м брусок масою 2,4 кг рівномірно тягнуть по столу. Яким є видовження пружини, якщо коефіцієнт тертя між бруском і столом дорівнює 0,2?

6. Складіть задачу, обернену до задачі, розглянутої в параграфі, та розв’яжіть її. Пам’ятайте, що значення фізичних величин, подані в умові задачі, та отриманий результат мають бути реальними.

7. Зменшення тертя внаслідок розташування твердих котків між поверхнями, що ковзають одна по одній, добре відоме. Скористайтесь додатковими джерелами інформації та підготуйте повідомлення про відповідні історичні приклади.

8. Заповніть таблицю.

Маса тіла m, кг

Об’єм тіла V, м3

Середня густина тіла p, кг/м3

Вага тіла P, Н

7,8

0,001

0,5

600

2500

50

ГДЗ до підручника можна знайти тут.