Силой трения называют обратное усилие, распределенное по площади контакта соприкасающихся твердых тел, возникающее при движении или удержании в равновесии одного тела относительно другого.
Величина силы трения зависит от материала и шероховатости соприкасающихся поверхностей, взаимного расположения тел и направления сил, действующих на тела.
В механике различают силы трения скольжения и качения.
Сила трения скольжения
При стремлении сдвинуть тело, лежащее на шероховатой поверхности, возникает сила реакции R, которая имеет две составляющие – нормальную N и силу трения Fтр (рисунок 1).
В теоретической механике обычно рассматривается только сухое трение между поверхностями, при этом различают трение при покое или равновесии тела и трение скольжения при движении одного тела по поверхности другого с некоторой относительной скоростью.
Сила трения скольжения твердого тела в состоянии покоя (рисунок 2) зависит только от активных сил и может быть определена по формуле:
В результате экспериментальных исследований французскими учеными Гийомом Амонтоном и Шарлем Кулоном были установлены законы для сухого трения:
- сила трения находится в общей касательной плоскости соприкасающихся поверхностей тел и направлена в сторону, противоположную направлению возможного скольжения тела под действием активных сил. Величина силы трения зависит от активных сил и заключена между нулем и своим максимальным значением, которое достигается в момент выхода тела из положения равновесия:
- максимальное значение силы трения при прочих равных условиях не зависит от площади контакта трущихся поверхностей и пропорционально нормальной реакции:
где f – коэффициент трения, безразмерная величина которая зависит от материала и физического состояния трущихся поверхностей.
Угол и конус трения
Если твердое тело под действием активных сил находится на шероховатой поверхности в предельном состоянии равновесия (сила трения достигает своего максимального значения), то полная реакция шероховатой поверхности отклонена от нормали к общей касательной плоскости трущихся поверхностей на наибольший угол φ, который называют углом трения (рисунок 3).
При этом
То есть тангенс угла трения равен коэффициенту трения.
Конусом трения называют конус, описанный линией действия полной реакции, построенной на максимальной силе трения, вокруг направления нормальной реакции.
Для равновесия тела на шероховатой поверхности необходимо и достаточно, чтобы линия действия равнодействующей активных сил, действующих на тело, проходила внутри конуса трения или по его образующей через его вершину.
В случае если равнодействующая R выйдет за пределы конуса трения, т.е. если угол трения превысит значение φ тело начнет движение.
Сила трения качения
Силой трения качения называется усилие сопротивления, возникающее при качении одного тела по поверхности другого.
Вследствие деформации тел их касание происходит вдоль площадки AB, появляется распределенная система сил реакций, которая, согласно основной теореме статики, может быть заменена силой и парой сил (рисунок 4).
Сила раскладывается на две составляющие – нормальную N и силу трения Fтр, пара сил называется моментом сопротивления качению MC.
При равновесии тела момент сопротивления качению определяется из условий равновесия системы сил. При этом установлено, что момент сопротивления принимает значения от нуля до максимального значения.
Максимальное значение момента сопротивления, соответствующее началу качения, определяется равенством
где δ – коэффициент трения качения, измеряется в метрах и зависит от материала контактирующих тел и геометрии зоны контакта.
Далее:
