Сила трения: покой, скольжение, качение

Шкаф надо передвинуть. Упираешься, краснеешь — он не идёт. Ещё рывок — и вот он поехал, причём дальше толкать заметно легче, чем сдвинуть. Или коньки: на льду скользишь как по зеркалу, а в тех же ботинках по школьному полу — как приклеенный. Разница между всеми этими случаями — в силе трения, которая возникает между соприкасающимися поверхностями и мешает движению. У неё три лица, и каждое надо узнавать.

Три вида трения

Трение покоя держит тело на месте: шкаф сопротивляется именно им, и в момент срыва трение покоя самое большое. Оно же держит гвоздь в стене и не даёт ботинкам скользить при ходьбе. Трение скольжения действует, когда тело уже скользит: санки по снегу, лыжи по льду. Трение качения возникает, когда тело катится: у колеса или шарика подшипника оно в несколько раз меньше скольжения — поэтому тележки на колёсах везут легче, чем санки волоком.

От чего зависит трение? Во-первых, от силы прижатия: положи на брусок груз — тянуть станет тяжелее ровно во столько же раз, во сколько вырос вес. Во-вторых, от шероховатости поверхностей: наждачная бумага тормозит сильнее стекла. А вот от площади опоры трение почти не зависит: брусок на широкой грани и на узком ребре тянут с одинаковой силой — это проверяют в лабораторной работе. Главный способ уменьшить трение — смазка: слой масла отделяет поверхности друг от друга, и трутся уже не детали, а слои жидкости. Так работают моторы, велосипедные цепи и дверные петли. Ещё один приём — заменить скольжение качением: подшипники с шариками.

Где трение друг, а где враг

Без трения ты не сделал бы и шага: подошва цепляется за пол трением покоя, а на голом льду её сцепление слабое — вот зачем зимой дорожки посыпают песком. Тормоза, шины, узлы на шнурках, письмо ручкой — везде трение работает на нас. Но в механизмах оно же враг: детали греются, стираются, съедают энергию. С вредным трением борются смазкой, подшипниками качения и шлифовкой поверхностей. Скрипучая дверная петля — сигнал: между осями кончилась смазка, и металл трётся о металл.

Откуда берётся трение

У трения две причины. Первая — шероховатость: даже на ощупь гладкая поверхность под микроскопом покрыта бугорками и впадинами, которые цепляются друг за друга. Вторая — притяжение молекул соприкасающихся поверхностей: чем чище и глаже поверхности и чем плотнее они прижаты, тем сильнее прилипание. Измерять трение начали раньше, чем кажется: ещё Леонардо да Винчи в конце пятнадцатого века тягал грузы по доскам и записал, что трение растёт вместе с весом и почти не зависит от площади касания. Через двести лет эти правила переоткрыл Гийом Амонтон, а Шарль Кулон в 1785 году свёл их в единую формулу, которой физика пользуется до сих пор.

Насколько велико трение

Силу трения удобно сравнивать с весом. Деревянный ящик по деревянному полу приходится тянуть с силой примерно в четверть-треть веса: двигать легче, чем поднимать, но ненамного. Резина на сухом асфальте цепляется с силой до семи десятых веса машины — поэтому автомобиль разгоняется и тормозит, не буксуя. А сталь по льду даёт лишь две сотых веса — в десятки раз слабее дерева. Отсюда вся логика зимней дороги: лёд почти не держит, песок возвращает шероховатость, шипы врезаются в лёд и восстанавливают сцепление. Проверь сам: тяни один и тот же брусок динамометром по столу, по ковру и по гладкому подоконнику — получишь три разные цифры, а на широкой грани и на узком ребре цифра будет одна и та же.

Отдельная история — колёса, которые катятся, но не должны проскальзывать. Антиблокировочная система автомобиля при резком торможении отпускает тормоза десятки раз в секунду: колесо продолжает вращаться, а не скользит юзом. Трение покоя, на котором катится незаблокированное колесо, сильнее трения скольжения, поэтому тормозной путь сокращается, а передние колёса продолжают управлять направлением — руль не перестаёт работать.

Как борются с вредным трением

Способов у инженеров несколько, и часто они работают вместе.

• смазка: масло или солидол отделяет детали плёнкой, и трутся уже слои жидкости, а не металл о металл
• подшипники качения: шарики или ролики между валом и обоймой заменяют скольжение качением
• шлифовка и полировка: чем ровнее поверхность, тем меньше цепляющихся неровностей
• твёрдые смазки: порошок графита работает даже там, где масло вытекло, — им натирают дверные замки
• обтекаемая форма: у машин, поездов и самолётов скругляют корпус, чтобы меньше тормозиться о воздух

Патент на первый шариковый подшипник получил в 1794 году валлийский изобретатель Филип Воган — он придумал, как посадить экипажную ось на стальные шарики. Сегодня такой узел стоит в каждом велосипеде, жёстком диске и вентиляторе: шарики катятся по дорожкам обоймы, и на трение уходит в десятки раз меньше энергии, чем при скольжении вала. Именно поэтому лопасти вентилятора раскручиваются от слабого мотора, а колесо велосипеда после толчка крутится ещё долго.

Трение в спорте и природе

Спортсмены управляют трением как профессионалы. Лыжники подбирают мазь: на подъёме лыжа должна цепляться за снег, на спуске — скользить. Коньки едут по льду отчасти потому, что под давлением лезвия и от нагрева трения образуется тонкая плёнка воды — она работает как смазка. Пловцы сбривают волосы на теле и надевают гладкие костюмы, чтобы вода меньше тормозила. А ладони гимнастов, наоборот, натирают магнезией: порошок сушит кожу и усиливает сцепление с брусьями. В природе то же самое: скользкая рыбья чешуя мешает хищнику схватить рыбу, а мокрая трава скользит под ногами, потому что вода работает между стеблями как смазка.

Тормозить может и воздух, и вода — трение есть в любой среде. Парашютист разгоняется не бесконечно: сопротивление воздуха растёт вместе со скоростью и в конце концов уравновешивает тяжесть. Дождевая капля падает мягко и не разбивается именно поэтому. Пловец каждым гребком чувствует, как приходится раздвигать воду: часть усилий уходит не на разгон, а на преодоление сопротивления. Отсюда обтекаемые корпуса лодок и машин, посадка пловца «стрелой» и гладкие гоночные костюмы.

Разбор типовой задачи

Словарь урока

Трение покоя#

трение, действующее до начала движения; в момент срыва оно самое большое

Трение скольжения#

трение при скольжении одного тела по поверхности другого

Трение качения#

трение при качении; в несколько раз меньше скольжения

Смазка#

слой жидкости или твёрдого порошка, разделяющий трущиеся поверхности

Подшипник#

узел с шариками или роликами, заменяющий скольжение качением

Сцепление#

сцепление колеса с дорогой, за счёт которого машина разгоняется и тормозит

Как это спрашивают

Типовая задача проверочных работ: динамометр тянет брусок равномерно и показывает 2 Н — чему равно трение и что изменится, если сверху положить ещё один такой же брусок. Порядок ответа всегда один: при равномерном движении силы скомпенсированы, трение равно показанию динамометра, затем трение пересчитывают по новому весу. Ещё любят трение качения: колесо катится легче, чем скользит, поэтому грузы возят на колёсах, а в механизмах ставят подшипники. Если просят примеры вредного и полезного трения — приводи по паре: износ и нагрев деталей против тормозов и сцепления шин.

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема