Фізика. 7 клас. Засєкіна

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 21. Сили тертя

Ви дізнаєтесь

Що таке сила тертя
Які існують види тертя

Пригадайте

Що таке сила реакції опори

СИЛА ТЕРТЯ. Тертя — один із видів взаємодії тіл. Зрушивши з місця, тіло починає ковзати по поверхні іншого тіла, і між ними вже існує сила тертя.

Сила тертя — це сила, що виникає в місцях дотику поверхонь і перешкоджає їх відносному переміщенню.

Сили тертя — це ще один вид сил, які діють під час механічних явищ і які відрізняються від сили тяжіння і сили пружності.

ВИДИ ТЕРТЯ. Розрізняють три види тертя і відповідні сили тертя (мал. 130).

Мал. 130. Види тертя

Сила тертя ковзання виникає у випадку, коли одне тіло ковзає по поверхні іншого. Прикладом такого тертя є ковзання санок чи лиж по снігу (мал. 131, а).

Сила тертя кочення виникає, якщо одне тіло не ковзає, а котиться по іншому. Прикладом такого тертя є кочення коліс роликових ковзанів по поверхні асфальту (мал. 131, б), коліс велосипеда, автомобіля чи будь-якого іншого круглого предмета.

Мал. 131. Сила тертя кочення менша за силу тертя ковзання

При однакових навантаженнях сила тертя ковзання завжди більша за силу тертя кочення. У цьому ви неодноразово переконувались, коли намагались пересунути важкий предмет: тягти його набагато важче, ніж котити (мал. 131).

Сила тертя кочення і сила тертя ковзання напрямлені проти руху тіла (мал. 132).

Мал. 132. Нерівності поверхонь

Сила тертя спокою — це та сила, яка заважає вам зрушити з місця стіл, шафу, ліжко тощо. Сила тертя спокою перешкоджає розв’язуватися банту, може утримувати тіло на поверхні похилої площини.

Сила тертя спокою напрямлена проти того руху, який мав би виникнути. Ця сила виникає при спробі вивести тіло із стану спокою. Найбільша сила тертя спокою дорівнює прикладеній силі, яка виводить тіло зі стану спокою.

ЧОМУ ВИНИКАЮТЬ СИЛИ ТЕРТЯ? Однією з причин виникнення сили тертя є шорсткість поверхонь тіл. Навіть гладенькі на вигляд поверхні тіл мають нерівності, горбики і подряпини. На малюнку 132 зображено ці нерівності у збільшеному вигляді. Коли одне тіло ковзає або котиться по поверхні іншого, ці нерівності зачіплюються одна за одну — виникає сила, що заважає руху.

Інша причина тертя — взаємне притягання молекул поверхонь дотику. Коли поверхні тіл шорсткі, грубо оброблені, то виникає сила тертя, зумовлена переважно першою причиною. А коли поверхні дотику добре відполіровані, частина їх молекул розміщується так близько одна від одної, що відчутним стає притягання між молекулами тіл.

Силу тертя можна зменшити в багато разів, якщо ввести між поверхнями дотику мастило. У цьому випадку мастило роз’єднує поверхні дотику. Тепер ковзають одна по одній не поверхні тіл, а шари мастила, і тертя шарів рідин менше за тертя твердих тіл. Так, наприклад, добре ковзає по снігу змащена лижа.

ВИМІРЮВАННЯ СИЛИ ТЕРТЯ. Щоб виміряти силу тертя, наприклад, дерев’яного бруска по поверхні дошки, треба прикріпити до бруска динамометр і рівномірно рухати брусок по дошці, тримаючи динамометр горизонтально (мал. 133, а).

Мал. 133. Вимірювання сил тертя: а — ковзання; б — кочення

На брусок діє дві сили: сила пружності пружини динамометра, напрямлена в бік руху, і сила тертя, напрямлена проти руху. Оскільки брусок рухається рівномірно, то рівнодійна цих сил дорівнює нулю, тобто ці сили рівні за модулем, але протилежні за напрямом. Динамометр показує силу пружності (прикладену силу тяги), яка за модулем дорівнює силі тертя ковзання.

Подібним чином вимірюють і силу тертя кочення (мал. 133, б). У цьому разі під брусок підкладають дві круглі палички (олівці).

Провівши цей дослід, можете переконатися, що при однакових навантаженнях сила тертя кочення менша за силу тертя ковзання.

Якщо брусок навантажувати тягарцями і вимірювати описаним способом силу тертя ковзання, то переконаємося, що чим більшою є сила, яка притискає тіло до поверхні, тим більша сила тертя ковзання (мал. 134). Математично це записують так: F_т_ep = μN, де N — сила нормального тиску на опору; μ — коефіцієнт тертя ковзання (безрозмірний коефіцієнт пропорційності, мала грецька літера μ, читають «мю»).

Мал. 134. Залежність сили тертя ковзання від навантаження

Коефіцієнт тертя залежить від стану поверхонь тіл і від властивостей речовини, з якої вони виготовлені.

Коефіцієнт тертя

Контактуючі поверхні

Коефіцієнт тертя μ

спокою

під час руху

Дерево по дереву

Метал по дереву

Залізо по залізу

Каучук по дереву чи металу

Гума по твердому ґрунту

Сталь по льоду

0,65

0,60

0,15

0,80

0,4-0,6

0,02

0,33

0,40

0,14

0,55

0,3-0,5

0,015

ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ

Сила тертя — це сила, що виникає в місцях дотику поверхонь і перешкоджає їх взаємному переміщенню.

Розрізняють силу тертя спокою, силу тертя ковзання і силу тертя кочення.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ КОНТРОЛЮ ЗНАНЬ

Дайте відповідь на запитання

1. Наведіть класифікацію основних видів тертя.
2. За яких умов виникає сила тертя спокою; сила тертя ковзання; сила тертя кочення? Від чого вони залежать?

Поясніть

1. Чому брусок не скочується вниз (мал. 135)? Яка сила утримує його у стані спокою? Зобразіть сили, що діють на брусок.

Мал. 135. Брусок у стані спокою

2. Що означає дорожній знак «Обережно, слизька дорога» (мал. 136)?

Мал. 136. Що означає дорожній знак?

3. Чому погано писати крейдою по мокрій дошці?

ПРИКЛАД РОЗВ’ЯЗУВАННЯ ФІЗИЧНОЇ ЗАДАЧІ

Задача. Для рівномірного переміщення бруска масою 3 кг по горизонтальному столу треба прикладати силу 6 Н. Якою буде сила тертя, якщо на брусок поставити вантаж масою 4 кг?

Розв’язання

Вправа 15

1. Коли брусок тягнуть уздовж поверхні стола, прикладаючи горизонтальну силу 5 Н, він рівномірно ковзає по столу. Чому дорівнює сила тертя, що діє при цьому на брусок? Зобразіть ці сили.

2. До тіла, що лежить на горизонтальній поверхні стола, приклали силу 2 Н, напрямлену горизонтально. Тіло залишилося в спокої. У якому випадку це можливо? Чому дорівнює сила тертя спокою в цьому разі?

3. Парашутист вагою 700 Н спускається з розкритим парашутом. Чому дорівнює сила опору повітря під час рівномірного руху парашутиста? Чому дорівнює рівнодійна сил у цьому разі? Чому дорівнює маса парашутиста?

4. Для рівномірного переміщування саней по снігу прикладають силу 25 Н. Визначте масу саней, якщо сила тертя становить 0,05 ваги саней.

5. Візок масою 10 кг рухається зі сталою швидкістю по горизонтальній поверхні під дією горизонтальної сили 5 Н. Визначте коефіцієнт тертя між візком і поверхнею.

6*. На малюнку 137 наведено графік залежності сили тертя ковзання від ваги тіла. Визначте за графіком коефіцієнт тертя ковзання. Чи зможе учень зрушити з місця скриню масою 60 кг, якщо максимальна сила, яку він може прикласти до скрині, дорівнює 150 Н? Скриню якої маси зможе пересунути учень по цій поверхні?

Мал. 137. Графік залежності сили тертя ковзання від ваги тіла

7*. Брусок прив’язали до нитки, до іншого кінця якої прив’язано вантаж (див. мал. 138). Вантаж опускається вниз рівномірно. У якому випадку це можливо? Чому дорівнює при цьому сила тертя, якщо маса вантажу 100 г?

Мал. 138. Рівномірний рух бруска

ФІЗИКА НАВКОЛО НАС

Тертя в природі й техніці

Сили тертя відіграють важливу роль у житті людини. Завдяки цій силі люди можуть переміщуватися по землі. Автомобілі та інші наземні транспорті засоби рухаються лише внаслідок існування тертя між колесами та поверхнею дороги.

На виробництві широко застосовують транспортери з гумовою стрічкою, яка весь час рухається. Якщо на неї покласти вантаж, то внаслідок існування сили тертя він буде переміщуватися на деяку відстань і навіть підійматися на певну висоту.

В описаних прикладах (і подібних до них) інженери прагнуть збільшити силу тертя. Для цього не тільки роблять поверхні шорсткими, як у випадку з автомобільними шинами, на яких на заводі наноситься протектор певної форми, а й добирають спеціальні матеріали.

В усіх транспортних засобах є гальма, завдання яких — швидко зупинити їх. На гальмові колодки автомобілів наклеюють накладки з матеріалу «феродо», до складу якого входить гума, азбест й інші речовини.

Коли взимку ожеледиця, дорогу посипають піском.

Але в більшості випадків тертя треба суттєво зменшити. Для цього тертьові поверхні розділяють рідиною: спеціальним маслом, як у двигуні автомобіля.

Учені встановили, що ще стародавні єгиптяни, будуючи піраміди, поливали дорогу нільським мулом, що зменшувало тертя полозів саней, на яких перевозили кам’яні брили.

Навіть у всіх живих істот існує рідинне змащення тертьових поверхонь. Поверхні всіх суглобів розділенні синовіальною рідиною.

Жоден сучасний механізм не можна уявити собі без кулькових і роликових підшипників (мал. 139). У них інженерна думка реалізувала те, що сила тертя кочення завжди менша від сили тертя ковзання. У такому підшипнику дві обойми розділені або кульками, або роликами.

Доповнені мастилом кулькові та роликові підшипники забезпечують швидке, безшумне й економне обертання різних валів у механізмах, коліс у транспортних засобах тощо.

Мал. 139. Кулькові та роликові підшипники

Зміст