Коефіцієнт тертя і ситуації, в яких він виникає

Що таке коефіцієнт тертя у фізиці і з чим він пов`язаний? Як обчислюють цю величину? Чому чисельно дорівнює коефіцієнт тертя? На ці та деякі інші питання, які зачіпає основна тема, ми дамо відповіді в ході статті. Звичайно ж, розберемо і конкретні приклади, де ми стикаємося з явищем, в якому фігурує коефіцієнт тертя.

Що таке тертя?

Тертя - один з видів взаємодій, що відбуваються між матеріальними тілами. Виникає процес тертя між двома тілами при їх зіткненні тій чи іншій площею поверхні. Як і багато інші форми взаємодій, тертя існує виключно з оглядкою на третій закон Ньютона. Як це виходить на практиці? Візьмемо два абсолютно будь-яких тіла. Нехай це будуть два дерев`яні бруски середніх розмірів.

Почнемо проводити їх один повз одного, здійснюючи зіткненні по площах. Ви помітите, що переміщати їх відносно один одного стане значно складніше, ніж просто переміщати їх в повітрі. Тут як раз свою роль починає грати коефіцієнт тертя. В даному випадку ми абсолютно спокійно можемо говорити про те, що сила тертя може бути описана третім законом Ньютона: вона, прикладена до першого тіла, буде дорівнює чисельно (по модулю, як люблять говорити в фізиці) такий же силі тертя, яка додається до другого тіла . Але не будемо забувати, що в третьому законі Ньютона є мінус, який свідчить про те, що сили хоч і рівні між собою за модулем, але спрямовані в різні боки. Таким чином, сила тертя - векторна.

Природа сили тертя

Як і пружні сили, сила тертя має електромагнітну природу. Внаслідок чого ж вона виникає? Вся справа в тому, що атоми і молекули тіл, які зазнають зіткнення, починають взаємодіяти один з одним.

Сила сухого тертя

Це сила, яка виникає при контакті двох або більше твердих тіл. При цьому обов`язковою умовою буде відсутність між цими тілами газоподібної і рідкої прошарку. Сила сухого тертя у всіх випадках спрямована по дотичній лінії, проведеної до дотичних площами.

Одна з різновидів такого процесу - тертя спокою. Воно виникає навіть у тому випадку, якщо тіла покояться один щодо одного. Визначається таке тертя як величина сили, яка додається ззовні. В даному випадку сила повинна бути спрямована в протилежний бік.

Обмеження сили тертя спокою

Відповідна сила завжди має деякий максимальне (граничне) значення. Якщо зовнішня сила стає по модулю ще більше і, врешті-решт, перевершує це максимальне значення, між тілами ми зможемо спостерігати прослизання. Тобто тіло почне рухатися. Це явище також можна пов`язати з другим законом Ньютона, який розповідає про суму сил, їх компенсації і, як про результат всього цього, рівноприскореному русі тіла.

Сила тертя ковзання

Раніше було сказано про те, що якщо зовнішня сила перевершує певний максимальне значення, допустиме для відповідної системи, то тіла, що входять в таку систему, прийдуть в рух відносно один одного. Чи буде рухатися одне тіло або два, або більше - все це не має значення. Важливим є те, що в цьому випадку виникає сила тертя ковзання. Якщо говорити про її напрямку, то спрямована вона в сторону, яка протилежна напрямку ковзання (або руху). Залежить вона від того, яку відносну швидкість мають тіла. Але це якщо вдаватися в різного роду фізичні нюанси.

Необхідно зауважити, що в більшості випадків прийнято вважати силу тертя ковзання незалежної від швидкості одного тіла щодо іншого. Вона також ніяк не пов`язана з максимальним значенням сили тертя спокою. Величезна кількість фізичних задач вирішуються саме за допомогою застосування аналогічної моделі поведінки, що дозволяє істотно полегшити процес вирішення.

Що таке коефіцієнт тертя ковзання?

Це є не що інше, як коефіцієнт пропорційності, який присутній у формулі, яка описує процес прикладання сили тертя до того чи іншого тіла. Коефіцієнт - це безрозмірна величина. Іншими словами, він виражається виключно числами. Він не вимірюється в кілограмах, метрах або ще чимось. У переважній більшості випадків коефіцієнт тертя чисельно менше одиниці.

Від чого він залежить?

Залежить коефіцієнт тертя ковзання від двох факторів: від того, з якого матеріалу виготовлені тіла, які зазнають зіткнення, а також від того, як оброблена їх поверхня. Вона може бути рельєфною, гладкою, а також на неї може бути нанесено якесь спеціальну речовину, яка буде або знижувати, або підвищувати тертя.

Як спрямована сила тертя?

Вона спрямована в бік, яка протилежна напрямку руху двох або більше дотичних тіл. Вектор спрямування прикладається по дотичній лінії.

Якщо контакт відбувається між твердим тілом і рідиною

У тому випадку, якщо відбувається зіткнення твердого тіла з рідиною (або деяким об`ємом газу), ми можемо говорити про виникнення сили так званого в`язкого тертя. Вона, звичайно ж, чисельно буде значно менше, ніж сила сухого тертя. Але напрямок її (вектор дії) зберігається тим же. У разі в`язкого тертя об спокої говорити не доводиться.

Пов`язана відповідна сила зі швидкістю тіла. Якщо швидкість маленька, то сила буде пропорційна швидкості. Якщо висока, то вона буде пропорційна вже квадрату швидкості. Коефіцієнт пропорційності буде нерозривно пов`язаний з тим, яку форму мають тіла, між якими відбувається зіткнення.

Інші випадки виникнення сили тертя

Має місце даний процес і при коченні будь-якого тіла. Але зазвичай їм в задачах нехтують, так як сила тертя кочення вельми і вельми мала. Це, насправді, спрощує процес вирішення відповідних завдань, хоча при цьому зберігається достатній ступінь точності підсумкового відповіді.

внутрішнє тертя

Цей процес також називається в фізиці альтернативним словом "в`язкість". Насправді він є відгалуженням явищ переносу. Властивий цей процес текучим тіл. Причому мова йде не тільки про рідинах, але і про газоподібних речовинах. Властивість в`язкості полягає в чиненні опору при перенесенні однієї частини речовини щодо іншої. При цьому логічно відбувається робота, необхідна на переміщення частинок. Але вона розсіюється в навколишньому просторі у вигляді тепла.

Закон, який визначає силу в`язкого тертя, був запропонований ще Ісааком Ньютоном. Сталося це в 1687 році. Закон і по сьогоднішній день носить ім`я великого вченого. Але все це було лише в теорії, а експериментальне підтвердження вдалося отримати тільки на початку 19-го століття. Відповідні досліди ставилися Кулоном, Хаген і Пуазейля.

Отже, сила в`язкого тертя, яка надає на рідину вплив, пропорційна відносної швидкості шарів, а також площі. У той же час вона обернено пропорційна тому віддалі, на якому розташовуються шари відносно один одного. Коефіцієнт внутрішнього тертя - це коефіцієнт пропорційності, який в даному випадку визначається сортом газу або рідкого речовини.

Аналогічним чином буде визначатися й інший коефіцієнт, який має місце в ситуаціях з відносним рухом двох течій. Це, відповідно, коефіцієнт гідравлічного тертя.