Сила трения в природе и технике

Сила трения в природе и технике

Сила трения в природе и технике
СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие

На земные объекты действует несколько сил, которые тесно взаимосвязаны между собой и влияют на жизнедеятельность тел. Прежде всего, это сила тяжести, упругости (внутреннее сопротивление тел в ответ на смещение их молекул) и реакции опоры. Но есть еще она очень важная физическая величина, называемая силой трения.

Она в отличие от силы тяготения и упругости не зависит от расположения тел. При ее изучении действуют иные законы: коэффициент трения скольжения и сила реакции опоры. Например, если понадобится сдвинуть тяжеловесный шкаф, то с первой же минуты станет понятно, что сделать это непросто. Кроме того, при выполнении данной задачи присутствуют определенные помехи.

Плюсы и минусы

В том случае, когда трение необходимо для человека, его стараются увеличивать. Где проявляется сила трения в природе и в технике? Она позволяет человеку ездить и ходить. Вещи, благодаря данной силе, не выскальзывают из рук, стулья и столы остаются на прежнем месте. Силы трения в быту, природе и технике есть даже между волокнами ткани, из которых создана наша одежда.

Среди ее негативных проявлений можно отметить изнашиваемость и нагревание разнообразных механизмов.

Негативные примеры

Среди примеров вреда этой силы на одном из первых мест стоит проблема перемещения тяжеловесных грузов, быстрого изнашивания любимых вещей, а также невозможности создать вечный двигатель, поскольку из-за трения любое движение рано или поздно прекращается, требуя стороннего вмешательства.

Что представляет собой сила трения? В природе и в технике можно упомянуть множество примеров, когда человеку приходится с ней сталкиваться:

  • за счет трения на бумаге остаются следы от карандаша и шариковой ручки;
  • эта сила удерживает на плечиках одежду;
  • можно водить по коврику компьютерной мышкой, наблюдая за перемещением на экране курсора

Именно трение мешает передвигать по полу тяжелую мебель. Постелив ковровое покрытие, можно изменить силу трения, упростив перемещение по комнате.

Причины возникновения

Первая из причин заключается в неизменной шероховатости поверхностей. Именно этот показатель влияет на то, какой вид силы трения будет иметь место. Если речь идет о гладких поверхностях, например, о покрытой металлом крыше или о ледяных участках, то их шероховатость почти не видна, однако это не значит, что ее нет – она присутствует на микроскопическом уровне.

В этом случае будет действовать сила трения скольжения. Но если говорить о шкафе, стоящем на ковре, то здесь шероховатости двух объектов будут значительно препятствовать взаимному движению. Второй причиной является электромагнитное молекулярное отталкивание, которое происходит в месте контакта объектов.

Значимость в технике

Рассмотрим применение силы трения в природе и технике. В частности, на ее основе создаются роликовые и шариковые подшипники. Внутреннее кольцо его одевают на вал механизма, наружное фиксируют в корпусе станка либо транспортного средства. После того как вал начнет вращаться, он не будет скользить, а станет катиться на роликах либо шариках между кольцами самого подшипника. Такое инженерное решение понижает изнашиваемость деталей, увеличивает их эксплуатационный срок службы.

Чтобы уменьшить трение, площадь поверхности соприкасающихся тел уменьшают, используют шлифовку (делают ее гладкой).

Фигуристы, затачивая коньки, уменьшают площадь соприкосновения со льдом, что позволяет им с легкостью выполнять сложные элементы во время произвольной или обязательной программы.

Для повышения гладкости льда, на него выезжает специальная машина (каток), после завершения ее работы покрытие становится безупречным.

Уменьшение трения необходимо и в быту. В частности, снижают силу трения для выполнения различных операций, натачивая бытовые режущие (колющие) предметы: иглы, ножницы, ножи.

Трение скольжения в технике не допускает износа механизмов, позволяет колесам и шарикам проскальзывать без перегревания.

Среди примеров положительного влияния большой силы трения в технике можно отметить:

  • передвижение на снегоходах по льду и снегу;
  • торможение колес передвигающегося транспорта;
  • использование гусениц для увеличения площади сцепления;
  • большие протекторы автомобильных шин.

Сложно представить себе существование живых существ в экосистеме без силы трения. Например, лапки насекомых имеют шероховатую поверхность, чтобы ползти по поверхностям разных типов. С помощью волосатых усиков ползучие растения передвигаются, а гладкая чешуя позволяет рыбам снижать трение о воду. Слон на протяжении всего периода своего существования, растения и животные научились использовать трение для своей пользы.

Еще одним способом уменьшить трение является применение шариковых и роликовых подшипников. Внутреннее кольцо подшипника одевается на вал какого-либо механизма, а наружное кольцо закрепляют в корпусе машины или станка. И когда вал начинает вращаться, то он не скользит, а катится на шариках или роликах между кольцами подшипника.

Сила трения в природе и технике

А мы знаем, что сила трения качения значительно меньше трения скольжения. Поэтому вращающиеся части изнашиваются гораздо медленнее. Применяют также воздушную подушку, уменьшение площади соприкасающихся тел, а также шлифовку.

Например, чтобы уменьшить силу трения между льдом и коньками, коньки точат, делая поверхность соприкосновения меньше, а лед шлифуют, делая его максимально гладким. Так же уменьшают трение при резке чего-либо в быту и на производстве, затачивая ножи как можно острее.

Роль силы трения в технике не всегда отрицательна, как могло показаться. Ведь, например, когда мы заменяем силу трения скольжения трением качения, чтобы уменьшить взаимодействие трущихся поверхностей, то следует помнить, что если бы трение отсутствовало совсем, то колеса или шарики в подшипниках просто-напросто прокручивались бы, не приводя тело в движение.

Еще примеры силы трения в технике:

  • автомобиль может тормозить
  • на севере люди передвигаются на санках и лыжах – так быстрее, т.к. меньше сила трения
  • езда на велосипеде
  • любые смазанные детали работают лучше
  • в шарикоподшипниках возникает сила трения качения
  • колеса с шипами или даже с цепями
  • механизмы для передачи или преобразования движения с помощью трения, т.н. фрикционные механизмы

Трение покоя

Что происходит в случае, когда мы пытаемся сдвинуть с места шкаф, однако нам не удается переместить его ни на сантиметр. Что удерживает предмет на одном месте? Это сила трения покоя. Дело в том, что приложенные усилия компенсируются силой сухого трения, возникающей между шкафом и полом.

Именно сила трения покоя не дает самостоятельно развязаться шнуркам на наших ботинках, выпасть гвоздю, который мы только что вбили в стену, удерживает на месте шкаф. Без нее было бы невозможно передвигаться по земной поверхности ни людям, ни животным, ни автомобилям. Вред трения также присутствует. Он бывает в довольно глобальных масштабах, например, сила трения покоя может привести к деформации обшивки кораблей.

Подведем итоги

Для уменьшения трения между льдом и коньками, их точат, а поверхность льда шлифуют. Несмотря на то, что трение может иметь негативное влияние, именно благодаря этой силе тормозит транспорт, люди могут передвигаться на лыжах или санках, ездить на коньках, велосипеде. В гололед резина с шипами спасает водителю и пассажирам жизнь, а шарикоподшипники со смазкой не дают деталям автомобиля разогреваться. При правильном использовании можно сделать трение надежным союзником.

Научное обоснование

Для того чтобы передвинуть шкаф, необходимо приложить к нему силу, которая превзойдет трение. То есть до тех пор, пока применяемые усилия меньше показателя силы трения, мебель останется на месте. Помимо указанных факторов, есть еще сила реакции опоры, которая направленна перпендикулярно плоскости. Она зависит от материала, из которого сделан пол (здесь задействована также сила упругости).

Трение скольжения

Итак, чтобы пересилить трение, мы попросили кого-нибудь нам помочь сдвинуть шкаф с места. Что мы обнаружили? Что после того, как мы приложили силу, которая превысила силу трения покоя, шкаф не только сместился, но и некоторое время продолжал двигаться в необходимую сторону, разумеется, с нашей помощью.

А потраченные усилия были примерно одинаковы в течение всего пути. В этом случае нам препятствовала сила трения скольжения, направленная в противоположную от приложенного воздействия сторону. Стоит заметить, что ее сопротивление гораздо ниже, нежели у силы трения покоя. Чтобы снизить этот показатель, при необходимости применяются различные смазочные материалы.

Сила трения качения

Если мы вспомним, что когда-нибудь придется двигать шкаф обратно, то решим оснастить его колесиками. В этом случае возникающее взаимодействие будет называться трением качения, поскольку предмет уже будет не скользить, а катиться по поверхности. Катящиеся колесики будут немного вдавливаться в ковер, образовывая бугорок, который нам необходимо будет преодолеть.

https://www.youtube.com/watch?v=upload

Этим и обуславливается сила трения качения. Разумеется, если мы покатим шкаф не по ковру, а, например, по паркету, то переместить его будет еще легче, за счет того, что поверхность паркета тверже поверхности ковра. По той же причине велосипедистам ехать по шоссе куда проще, чем по пляжу с мелким песком.

Это интересно