4.2. Сили тертя.

Сили тертя – це контактні сили опору, які діють на будь яке рухоме тіло з боку навколишнього середовища та інших тіл з якими воно стикається під час руху. Сили тертя виникають тільки за умови взаємного контактування тіл, рідин чи газів.

Сили тертя можуть бути різної природи, але в результаті їх дії механічна енергія завжди перетворюється у внутрішню енергію тіл, що стикаються ( енергію теплового руху).

Розрізняють зовнішнє (сухе) та внутрішнє (рідке або в’язке) тертя. Зовнішнім тертям називається тертя, що виникає у площині дотику двох тіл, що стикаються при їх відносному переміщенні. Якщо тіла, що стикаються, нерухомі відносно одне одного, то кажуть про тертя спокою (статичне тертя), якщо ж відбувається відносне переміщення цих тіл, то в залежності від характеру їх відносного руху кажуть про тертя ковзання, кочення або крутіння (кінематичне тертя).

Внутрішнім тертям називається тертя між частинами одного і того ж тіла, наприклад, між різними шарами рідини або газу, швидкості яких змінюються від шару до шару.

Рис.4.

Виникнення сухого тертя можна пояснити існуванням на поверхні тіл виступів та нерівностей, які проникають одне в одне. Зчеплення цих нерівностей і викликає у підсумку силу тертя.

У випадку зовнішнього тертя, в залежності від характеру руху тіл, відокремлюють силу тертя спокою (виникає за умови нерухомості тіл, що стикаються), силу тертя ковзання та силу тертя кочення.

Розглянемо тіло, що лежить на площині (рис. 4), до якого прикладена горизонтальна сила . Як показує дослід, якщо сила не перевищує деякої певної величини F₀ (F<F₀), тіло залишається у стані спокою. Це означає, що на тіло діє сила тертя спокою, яка дорівнює силі F і протилежно до неї напрямлена. Максимальне значення сили тертя спокою дорівнює F₀. . Французькі фізики Амонтон (1663-1705), а пізніше і Ш.Кулон (1736-1806) експериментально встановили, що числове значення сили статичного тертя пропорційне силі нормального тиску на опорну площину: закон: =·μ 

де N - сила нормального тиску, - коефіцієнт статичного тертя.

Якщо тіло рухається рівномірно, то діюча сила урівноважується силою тертя .

При > рівновага порушується і рух буде прискореним. Розглянемо рух тіла по похилій площині з кутом нахилу φ. Для малих кутів φ тангенціальна складова сили тяжіння менше ніж сила статичного тертя і тіло нерухомо лежить на площині. По мірі зростання кута φ сила зростає і при деякому куті φ₀, який називається кутом тертя, вона дорівнює силі статичного тертя . При φ > φ₀ тіло починає зсковзувати по похилій площині. Знайдемо зв'язок між коефіцієнтом статичного тертя і кутом тертя.

sin φ _o= μ · μ · cos φ _о٫

звідки

(7)

Отже коефіцієнт тертя ковзання дорівнює тангенсу кута φ_о при якому починається ковзання тіла по похилій площині.

Значення граничної сили тертя ковзання визначається за формулою Амонтона-Кулона:

F_тер. = μ N , (8)

де N - сила нормального тиску, μ - коефіцієнт тертя ковзання.

При коченні крапки контакту стикаються лише на мить.Сила тертя кочення (див. рис. 5) прямо пропорційна нормальній силі N, що притискує тіло до поверхні, і обернено пропорційна радіусу тіла R, що котиться:

F_к =  , (9)

де  - коефіцієнт тертя кочення, має розмірність довжини., м.

Коефіцієнти тертя кочення значно менші від коефіцієнтів тертя ковзання, у зв’язку з чим у пристроях та машинах намагаються тертя ковзання замінити тертям кочення. Коефіцієнти тертя спокою завжди більші, ніж коефіцієнти тертя кочення та ковзання.

Зовнішнє рідинне (в'язке) тертя виникає за умови руху тіла в рідині чи газі. Ця сила тертя складається з сили в'язкого тертя та сили опору речовини. Характерною відзнакою рідинного тертя є те, що воно суттєво залежить від швидкості руху тіла:

F_тр = - k₁ Vⁿ , (3.11)

де k₁ - коефіцієнт опору, який залежить від розмірів і форми поверхні тіла, V - швидкість руху тіла, n - показник степеня, який дорівнює одиниці при невеликих швидкостях і суттєво збільшується при зростанні швидкості руху тіла.

Зменшення шорсткості поверхонь із метою послаблення сил тертя показало що при дуже гладеньких поверхнях тіл сили тертя ковзання не зменшуються а навпаки зростають. У разі щільного дотику поверхонь істотно проявляються атомно-молекулярні сили зчеплення.

Тертя відіграє значну роль у природі і техніці. Завдяки тертю рухається транспорт утримується забитий у стіну цвях і т.д.

У деяких випадках сили тертя виявляють шкідливу дію і тому їх треба зменшувати. Для цього на тертьові поверхні наносять мастило(сила тертя зменшується приблизно у 10 разів).