Физика для углубленного изучения 1. Механика - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
В мире макроскопических явлений электромагнитное взаимодействие проявляется независимо от слабого и описывается законами классической электродинамики — уравнениями Максвелла. Гравитационное взаимодействие в классической физике описывается законом всемирного тяготения Ньютона.
В отличие от короткодействующих сильного и слабого взаимодействий гравитационное и электромагнитное взаимодействия — дальнодействующие: их действие проявляется на очень больших расстояниях. По этой причине именно электромагнитное и гравитационное взаимодействия определяют все крупномасштабные явления, начиная от явлений на молекулярном уровне и кончая движением небесных тел. На самом деле только для электромагнитного и гравитационного взаимодействий и можно использовать понятие силы в смысле механики Ньютона и измерять ее на опыте.
Все механические явления в окружающем нас макроскопическом мире определяются исключительно гравитационными и электромагнитными силами. Проявления сил электромагнитной природы настолько многообразны, что было бы совершенно безнадежно пытаться описать их все единым образом. В дальнейшем при изучении законов электромагнетизма будут рассмотрены некоторые виды таких сил. Пока же, изучая механику, мы ограничимся только силами трения и упругими силами.
Возникновение сил трения и упругих сил обусловлено электрическими силами, действующими между заряженными частицами, из которых построены все макроскопические тела. При описании проявлений этих сил в механике мы ограничимся так называемым феноменологическим подходом: не вникая в природу этих сил, выясним условия, при которых они проявляются, и, опираясь на опыт, установим их количественные закономерности.
Виды трения. «Сухое» трение возникает на поверхностях соприкосновения твердых тел. Сила трения всегда направлена вдоль поверхности соприкосновения, в отличие от силы упругости, направленной перпендикулярно этой поверхности. Различают три вида трения при контакте твердых тел: трение покоя, трение скольжения и трение качения.
§ 20. СИЛЫ В ПРИРОДЕ. ТРЕНИЕ
109
Трение покоя. Познакомимся сначала с проявлениями силы трения покоя. Пусть, например, на горизонтальной поверхности лежит брусок. Подействуем на него некоторой горизонтальной силой F, используя для ее измерения динамометр (рис. 75). Опыт показывает, что, пока эта сила меньше некоторого значения FKр, брусок не приходит в движение. В соответствии со вторым
законом Ньютона это может озна-
Рис. 75. Изменение минимальной си-чать только одно: одновременно с лы, сдвигающей брусок
приложенной внешней силой F на брусок со стороны поверхности подставки начинает действовать равная ей и противоположно направленная сила FTp, которую и называют силой трения покоя. Эти силы уравновешивают друг друга. Когда приложенная сила достигает критического значения FKp, брусок приходит в движение. Действующая на движущийся брусок сила трения направлена противоположно его скорости и называется силой трения скольжения.
На опыте можно установить, от чего зависит максимальное значение силы трения покоя F . Помещая на брусок дополнительные грузы и тем самым увеличивая силу, прижимающую его к поверхности подставки, убеждаемся, что максимальная сила трения покоя пропорциональна этой силе. Иначе об этом можно сказать, что максимальная сила трения покоя F пропорциональна нормальной силе N реакции опоры. Действительно, поскольку брусок не имеет ускорения в направлении, перпендикулярном поверхности, прижимающая сила уравновешивается действующей на брусок нормальной силой реакции. Таким образом, для модуля максимальной силы трения покоя можно написать
F*p = \ilN, (1)
где коэффициент пропорциональности ц не зависит от прижимающей силы. Он называется коэффициентом трения покоя. Опыт показывает, что значение коэффициента трения не зависит от размеров соприкасающихся поверхностей. В описанном выше опыте брусок можно положить на поверхность любой из его граней: при одной и той же прижимающей силе нужно одинаковое усилие, чтобы сдвинуть брусок (рис. 76). При этом поверхность может и не быть горизонтальной, важно лишь значение прижимающей силы.
Коэффициент трения покоя ц зависит от сочетания материалов, из которых сделаны соприкасающиеся тела. Он будет разным при трении дерева о сталь и дерева о дерево. В технических справочниках приводятся значения для многих различных комбинаций. Но и для каждой такой комбинации коэффициент трения зависит от характера обработки поверхностей и их состояния.
В рассмотренном опыте трение покоя препятствовало возникновению движения. Благодаря трению покоя обеспечивается равнове-
110
II. ДИНАМИКА
сие многих технических конструкций и строительных сооружений. Однако в ряде случаев именно сила трения покоя необходима для возникновения движения. Так, например, при ходьбе сила трения покоя, действующая на подошву, сообщает нам ускорение. Ведь подошва не скользит назад, и, значит, трение между ней и дорогой —
