Физика для углубленного изучения 1. Механика - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Молекулярная модель позволяет понять также, почему для данных поверхностей коэффициент трения покоя, как правило, несколько больше коэффициента трения скольжения. Когда одно тело начинает перемещаться по поверхности другого, первоначальные связи между молекулами оказываются разорванными и коэффициент трения резко уменьшается и остается практически постоянным при дальнейшем увеличении скорости.
Рис. 87. Вид соприкасающихся поверхностей при сильном увеличении
§ 21. ПРОЯВЛЕНИЯ СУХОГО ТРЕНИЯ
119
Эта модель позволяет понять и то, почему трение качения меньше трения скольжения. Когда одно тело катится без проскальзывания по поверхности другого, молекулярные связи разрываются при подъеме точек катящегося тела, в то время как при скольжении точки тела смещаются вдоль поверхности контакта и на место разорванных связей сразу приходят новые.
Как управлять трением. Как уже упоминалось, в ряде случаев трение играет полезную роль и его стараются сделать как можно больше, например, трение между шинами автомобиля и дорогой. В других случаях требуется уменьшить трение, чтобы облегчить работу различных механизмов и избежать ненужных энергетических потерь. Этого можно добиться разными способами. Один из них — замена трения скольжения трением качения, что достигается применением шариковых и роликовых подшипников.
Другой распространенный способ уменьшения трения скольжения — использование смазки. Смазка не допускает образования устойчивых связей между молекулами движущихся твердых тел. При этом сухое трение между скользящими поверхностями заменяется вязким трением, т. е. трением между взаимно движущимися тонкими слоями жидкости. Закономерности сил трения при скольжении одного твердого тела по поверхности другого и при движении твердого тела в жидкости совершенно различны. Сила вязкого трения пропорциональна скорости и при медленном относительном движении становится очень малой.
Однако это не единственный способ уменьшения трения скольжения. Хорошо известно, что застрявший в доске гвоздь легче вытащить, если при этом его поворачивать из стороны в сторону. В
чем тут дело? Чтобы разобраться в этом, рассмотрим опыт, схема которого изображена на рис. 88. Брусок лежит на горизонтальной ленте транспортера, а пружина удерживает его от перемещения вместе с лентой при ее движении. Какая боковая сила F необходима
120
II. ДИНАМИКА
для того, чтобы вызвать перемещение бруска поперек ленты транспортера? Опыт показывает, что эта сила при движущейся ленте будет гораздо меньше, чем при неподвижной, и тем меньше, чем быстрее движется лента. Эти результаты легко объяснить на основе закономерностей сухого трения.
Значение действующей на брусок силы трения при его скольжении относительно ленты не зависит от скорости и равно произведению коэффициента трения ц на нормальную силу N реакции опоры, которая в данном случае равна весу бруска. Направлена сила трения противоположно скорости бруска относительно ленты. При неподвижной ленте боковое скольжение бруска будет происходить только тогда, когда действующая сила F не меньше \img, где т — масса бруска.
Пусть теперь лента движется со скоростью и направо, тогда брусок относительно ленты имеет скорость —и, направленную влево. Если при этом под действием боковой силы брусок перемещается поперек ленты с постоянной скоростью v, то его полная скорость V относительно ленты составляет угол а с направлением
U _
Рис. 89. Скорость бруска V относительно ленты транспортера (а) и направление силы трения (б)
движения ленты (рис. 89а), причем tg а = v/u. Сила трения скольжения и в этом случае равна [img, но теперь она направлена противоположно вектору V.
Векторная сумма силы Fnp, действующей на брусок со стороны пружины, силы F и силы F по второму закону Ньютона равна нулю, так как брусок движется без ускорения. При этом, как видно из рис. 89б,
F - FTp sin а = \img sin а. (1)
Отсюда видно, что сила F, необходимая для бокового перемещения бруска, меньше \img, и тем меньше, чем меньше угол а. Если скорость бокового скольжения бруска много меньше скорости ленты, т. е. г>«ы, то tg а = v/u«-1. При этом sin а я» tg а и формула (1)
§ 21. ПРОЯВЛЕНИЯ СУХОГО ТРЕНИЯ
121
принимает вид
F=\ungl. (2)
Итак, сила F, необходимая для бокового перемещения бруска, пропорциональна его скорости v при условии, что лента движется гораздо быстрее бруска. Медленное перемещение бруска поперек ленты будет вызываться сколь угодно малой силой.
«Занос» автомобиля. Рассмотренный пример позволяет уяснить причину бокового заноса автомобиля при резком торможении, когда происходит блокировка колес и автомобиль движется юзом. При качении колес без проскальзывания касающаяся дороги часть поверхности шины неподвижна и, следовательно, возможному боковому перемещению препятствует трение покоя. При блокировке колес происходит их проскальзывание относительно дороги и, как в случае бруска на движущейся ленте транспортера, даже ничтожная сила, действующая в поперечном направлении, будет приводить к боковому смещению колес. Оптимальное торможение автомобиля происходит в условиях, когда не допускается не только блокировка колес, но и проскальзывание шин относительно дороги.
