Фізика. 7 клас. Шут

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 26. Сила тертя. Тертя в природі й техніці

Взаємодія між поверхнями тіл, що дотикаються, супроводжується виникненням явища тертя

1. Тертя і сила тертя. У § 15 ми встановили, що причиною зменшення швидкості руху тіла по деякій поверхні є вплив цієї поверхні. У цьому виявляється явище тертя, яке призводить до перешкоджання руху тіл або його виникненню.

Мірою взаємодії тіл, між якими існує тертя, є сили тертя.

Причиною виникнення сил тертя є зачеплення нерівностей поверхонь стичних тіл, що призводить до деформацій цих нерівностей і виникнення сил пружності. При цьому у тих місцях, де відстані між частинками тіл (атомами і молекулами) стають достатньо малими для виникнення сил міжмолекулярної взаємодії, стичні тіла зчіплюються (злипаються). Отже, сили тертя можна розглядати як різновид сил пружності, а тому вони теж мають електромагнітну природу.

Існують різні види тертя. Розглянемо їх докладніше.

2. Тертя спокою. Покладемо дерев’яний брусок на дошку, приєднаємо до нього динамометр і подіємо на брусок незначною силою, спрямованою вздовж поверхні дошки (рис. 129, а). Брусок не зрушиться з місця, а це означає, що з’явилася певна сила, яка зрівноважила силу, прикладену до бруска.

Рис. 129. Дія сили тертя спокою: а) сила тертя спокою зрівноважує зовнішню силу; б) сила тертя спокою зростає від нуля до максимального значення

Сила тертя спокою змінюється (залежно від дії зовнішньої сили) від нуля до деякого максимального значення

Якщо потягнути брусок з більшою силою, то динамометр покаже поступове збільшення (від нуля до деякого значення) сили тертя спокою, яка протидіє зовнішній силі, що намагається вивести брусок зі стану спокою (рис. 129, б). Збільшення показів динамометра триватиме доти, поки не почнеться ковзання тіла. У цей момент досягається максимальне значення сили тертя спокою.

Як ви вже зрозуміли, сила тертя спокою протидіє початку руху одного тіла по поверхні іншого. Саме тому масивні предмети дуже важко зрушити з місця.

3. Тертя ковзання. Повернемося до досліду з рухом бруска по поверхні дошки за допомогою динамометра.

Як і у попередньому випадку, спочатку спостерігатимемо виникнення і зростання сили тертя спокою. У момент початку ковзання бруска покази динамометра трохи зменшаться і далі майже не змінюватимуться впродовж рівномірного ковзання бруска (рис. 130).

Сила тертя ковзання завжди спрямована в бік, протилежний напряму руху тіла, до якого вона прикладена

Сила тертя ковзання — це сила, яка виникає при ковзанні одного тіла по поверхні іншого.

4. Тертя кочення. Якщо покласти дерев’яний брусок на візок (або підкласти під нього циліндричні олівці), то пересувати брусок по дошці стає значно легше (рис. 131, б). У цьому випадку тертя виникає між колесами візка та поверхнею столу.

Рис. 130. Покази динамометра в момент початку ковзання бруска і впродовж його рівномірного руху

Рис. 131. Приклади прояву різних видів тертя: а) тертя ковзання; б) тертя кочення

Можливість зменшення сили тертя за рахунок використання кочення тіл була відома людям ще в давнину. Наприклад, для пересування важких предметів їх ставили на колоди. Зрештою це призвело до винайдення колеса. У наш час найбільш зручним методом перевезення масивних вантажів є використання причепів, які мають велику кількість коліс. Роликові ковзани теж забезпечені колесами, за рахунок чого сила тертя між ними і поверхнею, по якій ми рухаємося, значно зменшується (рис. 132).

5. Особливості тертя в рідинах і газах. Під час ковзання шарів рідини або газу відносно один одного також має місце тертя. При цьому виникають сили тертя, що перешкоджають цьому ковзанню і спрямовані вздовж шарів рідини або газу у напрямах, протилежних до напряму їх руху.

Рис. 132. Використання коліс у роликових ковзанах дозволяє зменшити силу тертя між ними і поверхнею, по якій людина рухається

Сили опору, які виникають під час руху тіл у рідинах або газах, залежать від швидкості їх відносного руху, а також від форми тіл, що рухаються

Такі ж сили виникають і при русі твердих тіл (риб, човнів, гелікоптерів тощо ) у рідинах або газах. Цей вид тертя називають рідким (або в’язким) тертям. Сили тертя, які при цьому виникають, називаються силами в’язкого тертя або силами опору.

Форму тіла, яка дозволяє максимально зменшити сили опору, називають обтічною. Саме обтічної форми надають автомобілям, суднам, підводним човнам, ракетам (рис. 133).

Висловіть свою думку

Якими особливостями руху ракети і парашутиста пояснюються форми ракети (рис. 133) і парашута (рис. 134).

6. Що таке коефіцієнт тертя? Однією з найважливіших характеристик тертя є залежність сили тертя від сили реакції опори. Виявимо залежність сили тертя від сили реакції опори.

Покладемо на брусок, що може рухатися по дошці, вантаж відомої маси (рис. 135, а). Зафіксуємо силу тертя ковзання, яку покаже динамометр при рівномірному русі бруска з вантажем. Поклавши на брусок вантаж вдвічі більшої маси, ми, відповідно, вдвічі збільшимо і силу реакції опори (рис. 135, б). Як наслідок, динамометр покаже, що сила тертя ковзання також збільшилася вдвічі.

Отже, сила тертя ковзання пропорційна силі реакції опори:

Fтертя ковз ≈ N

або Fтертя ковз = μΝ,

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

Рис. 133. Форма ракети дозволяє зменшити величину сил опору, які виникають при її русі

Рис. 134. Рух людини з парашутом

Рис. 135. Залежність сили тертя ковзання від сили реакції опори: а) сила тертя ковзання при рівномірному русі бруска з одним вантажем; б) сила тертя ковзання зростає вдвічі при збільшенні маси вантажу (сили реакції опори) вдвічі

З формули очевидно, що коефіцієнт тертя ковзання є величиною безрозмірною. У таблиці 14 наведено коефіцієнти тертя ковзання для деяких матеріалів.

Таблиця коефіцієнтів тертя ковзання

Таблиця 14

Матеріали

Коефіцієнти тертя ковзання

Сталь по льоду

0.015 — 0,02

Сталь по сталі

0,05 — 0,12

Дерево по дереву

0,34 — 0,4

Папір (картон) по дереву

0,36 — 0,40

Сталь по бронзі

0,07 — 0,15

Гума по бетону

0,68 — 0,75

7. Приклади тертя в природі і техніці. Тертя може бути як корисним, так і шкідливим. Без тертя спокою ані люди, ані тварини, ані машини не могли б рухатися. Сила тертя між колесами і землею під час гальмування зупиняє автомобіль, але без тертя спокою автомобіль не міг би почати рух за рахунок проковзування коліс. Щоб збільшити тертя, поверхню шин транспортних засобів виготовляють із ребристими виступами — протекторами, що підсилює їх зчеплення з дорогою, а, отже, збільшує тертя. Протектори роблять також на зимовому взутті.

Проте у багатьох випадках тертя шкідливе і його треба зменшувати. Зменшити втрати на тертя дозволяє використання мастил, повітряних прошарків тощо.

Рис. 136. Підшипник кульковий

Рис. 137. Підшипник роликовий

У техніці найбільш поширеним і ефективним методом запобігання шкідливого впливу тертя є застосування підшипників. Найпростіші кульковий та роликовий підшипники зображено на рисунках 136 і 137. Внутрішнє кільце підшипника насаджують нерухомо на обертовий вал, а зовнішнє закріплюють у корпусі машини. Таким чином, під час обертання вала внутрішнє кільце вже не ковзає, а котиться по кульках (роликах). Без підшипників не можна уявити сучасні транспорт і промисловість.

Рис. 138. Утворення вітру за транспортом, що віддаляється

Подумайте і дайте відповідь

  • 1. Як виявляється явище тертя? Що називають силою тертя? Від чого вона залежить? Яка природа сил тертя?
  • 2. Яке тертя називають тертям спокою? Що таке сила тертя спокою? Як вона позначається?
  • 3. Яке тертя називають тертям ковзання? Що таке сила тертя ковзання? Як вона позначається? Як можна зменшити силу тертя ковзання?
  • 4. За яких умов виникає тертя кочення? Яка сила є більшою — сила тертя ковзання або сила тертя кочення?
  • 5. Який вид тертя називають рідким тертям? Від чого залежать сили опору, які виникають при русі тіл у рідинах або газах?
  • 6. Яке значення має тертя в природі й техніці? Чи завжди тертя є корисним?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 26.

  • 1. Чому небезпечно керувати автомобілем на слизькій дорозі?
  • 2. З якою метою у машинах і механізмах використовують підшипники?
  • 3. Поясніть утворення вітру, що виникає услід за швидкісним транспортом (рис. 138)?
  • 4. Яку силу треба прикласти до картонного ящика масою 20 кг, який лежить на дерев’яній підлозі, щоб зрушити його з місця?
  • 5. На рисунку 139 показано (у певному масштабі) сили, що діють на автомобіль. Чи рухається він? Якщо так, то яким буде характер руху? Варіанти відповіді: а) рухається рівномірно; б) рухається із збільшенням швидкості; г) рухається із зменшенням швидкості.

Рис. 139. Сили, що діють на автомобіль