Что называется силой трения качения. Сила трения качения: описание, формула

Почему вода и воздух оказывают , более или менее понятно - их приходится расталкивать, чтобы проложить дорогу. Но почему так трудно тянуть гужевые сани или катить тележку? Ведь спереди им ничего не мешает, спереди у них ничего, кроме воздуха нет, воздух для медленно движущихся предметов не помеха, а двигать все-таки трудно - снизу что-то мешает. Это «что-то» называют силами трение скольжения и трение качения .

Сущность трения скольжения и качения

Разгадка сущности трения скольжения и качения пришла не сразу. Ученым пришлось потрудиться, чтобы понять, в чем тут дело, и они едва не встали на ложный путь. Раньше, когда спрашивали, что такое трение, отвечали так:

- Посмотрите на свои подметки! Давно ли они были новые и крепкие, а сейчас уже заметно сносились, стали потоньше.

Были проведены опыты, которые показали, что аккуратный человек может сделать по хорошей дороге примерно миллион шагов, прежде чем его подметки проносятся насквозь. Конечно, если они из прочной, хорошей кожи. Посмотрите на ступени лестниц в каком-либо старом здании, в магазине или в театре - словом, там, где бывает много народу. В тех местах, куда люди ступают чаще, в камне образовались углубления: шаги сотен тысяч людей стерли камень . Каждый шаг чуть-чуть разрушал его поверхность, и камень стирался, превращаясь в пыль. От трения скольжения снашиваются и подметки, и поверхность пола, по которому мы ходим. От трения качения стираются рельсы железных дорог и трамвайных путей. Постепенно исчезает, превращается в пыль асфальт шоссейных дорог - его стирают колеса автомобилей. Резиновые шины тоже расходуются, как и резинки, которыми стирают написанное карандашом.

Неровности и шероховатости

Поверхность каждого твердого тела всегда имеет неровности и шероховатости . Зачастую они совершенно незаметны на глаз. Поверхности рельсов или полозьев саней кажутся очень гладкими и блестящими, но если посмотреть на них в микроскоп, то при большом увеличении будут видны бугры и целые горы. Так выглядят мельчайшие неровности на «гладкой» поверхности.

Неровности и шероховатости полозьев саней - причина трения качения и скольжения движущегося тела. Такие же микроскопические «Альпы» и «Карпаты» существуют и на стальном ободе колеса. Когда колесо катится по рельсам, неровности его поверхности и рельса цепляются друг за друга, происходит постепенное разрушение трущихся предметов, а движение замедляется. Ничто в мире само собой не делается, и, чтобы производить даже ничтожнейшее разрушение поверхности стального рельса, приходится затрачивать некоторое усилие. Трение скольжения и трение качения потому и тормозит всякое движущееся тело, что ему приходится расходовать часть своей энергии на разрушение своей же поверхности . Чтобы уменьшить износ трущихся поверхностей, их стараются делать как можно ровнее, как можно глаже, так, чтобы на них оставалось поменьше всяких шероховатостей. Одно время думали, что единственной причиной трения качения и скольжения является шероховатость поверхности. Казалось, что трение можно совсем уничтожить, если хорошенько отшлифовать и отполировать трущиеся поверхности. Но, как выяснилось на основании весьма искусно сделанных опытов, победить трение качения и скольжения не так-то просто.

Динамометр покажет силу трения скольжения

При воспроизведении опытов Кулона, (подробнее: ) с трением покоя взяли стальную плиту и стальной брусок, по форме похожий на кирпич, но только не такой большой. Он прижимался к поверхности плиты силой своего веса. К бруску был приделан крючок. За крючок зацепили пружинные весы - динамометр и, потянув за кольцо динамометра, стали двигать брусок по плите. Динамометр показывал силу тяги. Если тянуть за динамометр так, чтобы брусок двигался совершенно равномерно и прямолинейно, сила тяги будет в точности равна силе трения. Динамометр покажет величину силы трения скольжения . Она будет несколько меньше силы , определенной Кулоном. Но при малых скоростях скольжения эти силы можно считать равными . Так и делали: протягивали бруски по плите с определенной небольшой скоростью и замечали показания динамометра.

Динамометр - показывает силу трения скольжения. Потом стали шлифовать и полировать трущиеся поверхности плиты и бруска и время от времени измеряли, как изменяется сила трения от такой обработки. Сначала все шло так, как предполагали: чем глаже и ровнее становились трущиеся поверхности, тем слабее сказывалась сила трения скольжения. Исследователи уже подумывали, что они вскоре добьются того, что трение исчезнет совсем. Но не тут-то было! Когда полированные поверхности заблестели, как зеркальные, силы трения стали заметно возрастать. Хорошо отполированные металлические поверхности проявили склонность слипаться. Это доказало, что силы трения скольжения - не только следствие шероховатости трущихся поверхностей , но и результат действия молекулярных сил сцепления , присущих всем веществам,- тех самых сил, которые действуют между мельчайшими частицами вещества, заставляя их прижиматься друг к другу, заставляя твердые тела сохранять свою форму, масло - приставать к металлу, клей - клеить, смолу - липнуть, ртуть - скатываться в шарики. Эти силы сцепления между частичками вещества получили название молекулярных сил .

Тре́ние каче́ния - сопротивление движению, возникающее при перекатывании тел друг по другу т.е. сопротивление качению одного тела (катка) по поверхности другого. Причина трения качения - деформация катка и опорной поверхности. Проявляется, например, между элементами подшипников качения , между автомобильной шиной колеса автомобиля и дорожным полотном. В большинстве случаев величина трения качения гораздо меньше величины трения скольжения при прочих равных условиях, и потому качение является распространенным видом движения в технике. Трение качения возникает на границе двух тел, и поэтому оно классифицируется как вид внешнего трения.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

Пусть на тело вращения, располагающееся на опоре, действуют

Если векторная сумма этих сил равна нулю

N → + P → + R → p = 0 , {\displaystyle {\vec {N}}+{\vec {P}}+{\vec {R}}_{p}=0,}

то ось симметрии тела движется равномерно и прямолинейно или остаётся неподвижной (см. рис. 1) . Вектор F → t = − P → {\displaystyle {\vec {F}}_{t}=-{\vec {P}}} определяет силу трения качения, противодействующую движению. Это означает, что прижимающая сила уравновешивается вертикальной составляющей реакции опоры, а внешняя сила уравновешивается горизонтальной составляющей реакции опоры.

Равномерное качение означает также, что сумма моментов сил относительно произвольной точки равна нулю. Из равновесия относительно оси вращения моментов сил, изображённых на рис. 2 и 3 , следует:

F t ⋅ R = N ⋅ f , {\displaystyle F_{t}\cdot R=N\cdot f,} F t = f R ⋅ N , {\displaystyle F_{t}={\frac {f}{R}}\cdot N,}

Эта зависимость подтверждается экспериментально. Для малой скорости качения сила трения качения не зависит от величины этой скорости. Когда скорость качения достигает значений, сопоставимых со значениями скорости деформации в материале опоры, трение качения резко возрастает и даже может превысить трение скольжения при аналогичных условиях.

Момент сил трения качения

Определим для подвижного цилиндра момент, тормозящий вращательное движение тела. Рассматривая данный момент относительно оси вращающегося колеса (например, колеса автомобиля), находим, что он равен произведению тормозного усилия на оси на радиус колеса. Относительно точки контакта движущегося тела с землей момент будет равен произведению внешней силы, уравновешивающей силу трения, на радиус колеса (рис. 2) :

M t = F t ⋅ R = P ⋅ R {\displaystyle M_{t}=F_{t}\cdot R=P\cdot R} .

С другой стороны, момент трения равен моменту прижимающей силы N → {\displaystyle {\vec {N}}} на плечо, длина которого равна коэффициенту трения качения f :

M t = f ⋅ N , {\displaystyle M_{t}=f\cdot N,}

Коэффициент трения качения

Из выписанного выше уравнения следует, что коэффициент трения качения может быть определен как отношение момента трения качения M t {\displaystyle M_{t}} к прижимной силе N :

f = M t N . {\displaystyle f={\frac {M_{t}}{N}}.}

Графическая интерпретация коэффициента трения качения f дана на рисунке 3 и 4 .

Коэффициент трения качения имеет следующие физические интерпретации:

Если тело находится в покое и внешняя сила отсутствует, то реакция опоры лежит на той же линии, что и прижимающая сила. Когда тело катится, то из условия равновесия следует, что нормальная составляющая реакции опоры параллельна и противонаправлена прижимающей силе, но не лежит с ней на одной линии. Коэффициент трения качения равен расстоянию между прямыми, вдоль которых действуют прижимающая сила и нормальная составляющая реакции опоры (рис. 4 ).

Ориентировочные значения коэффициента трения для различных пар качения

Катящееся тело	Подстилающая поверхность	Коэффициент трения в мм
мягкое дерево	мягкое дерево	1,5
мягкое дерево	сталь	0,8
твердое дерево	твердое дерево	0,8
эбонит	бетон	10-20
эбонит	сталь	7,7
резина	бетон	15-35
закалённая сталь	закалённая сталь	0,01
полимер	сталь	2
сталь	асфальт	6
сталь	тротуарная плитка	1,5
сталь	сталь	0,5
железо	мягкое дерево	5,6
железо	гранит	2,1
железо	железо	0,51
чугунное литьё	чугунное литьё	0,8

Если вы попробуете сдвинуть тяжелый шкаф, полный вещей, то как-то сразу станет понятно, что не так все просто, и что-то явно мешает благому делу наведения порядка.

И мешать движению будет не что иное, как работа силы трения , которую изучают в курсе физики седьмого класса.

С трением мы сталкиваемся на каждом шагу. В прямом смысле этого слова. Вернее было бы сказать, что без трения мы и шагу ступить не можем, так как именно силы трения удерживают наши ноги на поверхности.

Любой из нас знает, что такое ходить по очень скользкой поверхности - по льду, если этот процесс вообще можно назвать ходьбой. То есть, мы сразу видим очевидные плюсы силы трения. Однако, прежде чем говорить о пользе или вреде сил трения, рассмотрим для, начала, что такое сила трения в физике.

Сила трения в физике и ее виды

Взаимодействие, которое возникает в месте соприкосновения двух тел и препятствует их относительному движению, называют трением. А силу, которая характеризует это взаимодействие, называют силой трения.

Различают три вида трения: трение скольжения, трение покоя и трение качения.

Трение покоя

В нашем случае, когда мы пытались сдвинуть шкаф с места, мы пыхтели, толкали, краснели, но не сдвинули шкаф ни на дюйм. Что удерживает шкаф на месте? Сила трения покоя. Теперь другой пример: если мы положим руку на тетрадь и будем двигать ее по столу, то тетрадь будет двигаться вместе с нашей рукой, удерживаемая все той же силой трения покоя.

Трение покоя удерживает вбитые в стену гвозди, мешает самопроизвольно развязываться шнуркам, а также держит на месте наш шкаф, чтобы мы, случайно опершись на него плечом, не задавили любимого кота, который вдруг улегся подремать в тишине и покое между шкафом и стеной.

Трение скольжения

Вернемся к нашему пресловутому шкафу. Мы, наконец, сообразили, что сдвинуть его в одиночку нам не удастся и позвали на помощь соседа. В конце концов, исцарапав весь пол, вспотев, напугав кота, но, так и не выгрузив вещи из шкафа, мы передвинули его в другой угол.

Что мы обнаружили, кроме клубов пыли и не обклеенного обоями куска стены? Что, когда мы приложили силу, превышающую силу трения покоя, шкаф не просто сдвинулся с места, но и (с нашей помощью, естественно) продолжил двигаться дальше, до нужного нам места. И усилия, которые приходилось затрачивать на его передвижение, были примерно одинаковы на всем протяжении пути.

В данном случае нам мешала сила трения скольжения . Сила трения скольжения, как и сила трения покоя, направлена в сторону, противоположную приложенному воздействию.

Трение качения

В случае, когда тело не скользит по поверхности, а катится, то, возникающее в месте контакта трение, называют трением качения. Катящееся колесо немного вдавливается в дорогу, и перед ним образуется небольшой бугорок, который приходится преодолевать. Именно этим и обусловлено трение качения.

Чем тверже дорога, тем меньше трение качения. Именно поэтому ехать по шоссе намного легче, чем по песку. Трение качения в подавляющем большинстве случаев ощутимо меньше трения скольжения. Именно поэтому повсеместно применяют колеса, подшипники и так далее.

Причины возникновения сил трения

Первая - это шероховатость поверхности. Это хорошо понятно на примере досок пола или поверхности Земли. В случае же более гладких поверхностей, например, льда или покрытой металлическими листами крыши, шероховатости почти не видны, но это не значит, что их нет. Эти шероховатости и неровности цепляются друг за друга и мешают движению.

Вторая причина - это межмолекулярное притяжение, которое действует в местах контакта трущихся тел. Однако, вторая причина проявляется, в основном, лишь в случае очень хорошо отполированных тел. В основном же, мы имеем дело с первой причиной возникновения сил трения. И в таком случае, чтобы уменьшить силу трения, часто применяют смазку.

Слой смазки, чаще всего жидкий, разъединяет трущиеся поверхности, и трутся между собой слои жидкости, сила трения в которых в разы меньше.

Сочинение на тему «Сила трения»

В курсе физики седьмого класса школьникам дают задание написать сочинение на тему «Сила трения». Примером сочинения на эту тему может служить примерно такая фантазия:

«Допустим, решили мы на каникулах съездить к бабушке в гости на поезде. И не в курсе того, что как раз в это время вдруг, ни с того ни с сего, пропала сила трения. Проснулись, встаем с кровати и падаем, так как силы трения между полом и ногами нет.

Начинаем обуваться, и не можем завязать шнурки, которые не держатся из-за отсутствия силы трения. С лестницей вообще туго, лифт не работает - он уже давно лежит в подвале. Пересчитав копчиком абсолютно все ступени и доползя как-то до остановки, обнаруживаем новую беду: ни один автобус не остановился на остановке.

Чудом сели в поезд, думаем, какая красота - тут хорошо, топлива уходит меньше, так как потери на трение сведены к нулю, быстрее доедем. Но вот в чём беда: силы трения между колёсами и рельсами нету, а, значит, и оттолкнуться поезду не от чего! Так что, в общем, как-то и не судьба съездить к бабушке без силы трения.»

Польза и вред силы трения

Конечно же, это фантазия, и она полна лирических упрощений. В жизни все немного по-другому. Но, по сути, несмотря на то, что есть очевидные минусы силы трения, которые создают для нас ряд сложностей в жизни, очевидно, что без существования сил трения, проблем было бы куда как побольше. Так что нужно говорить, как о вреде сил трения, так и о пользе все тех же сил трения.

Примерами полезных сторон сил трения можно назвать то, что мы можем ходить по земле, что наша одежда не разваливается, так как нитки в ткани удерживаются благодаря все тем же силам трения, что насыпав на обледеневшую дорогу песок, мы улучшаем сцепление с дорогой, дабы избежать аварии.

Ну а вредом силы трения является проблема перемещения больших грузов, проблема изнашивания трущихся поверхностей, а также невозможность создания вечного двигателя, так как из-за трения любое движение рано или поздно останавливается, требуя постоянного стороннего воздействия.

Люди научились приспосабливаться и уменьшать, либо увеличивать силы трения , в зависимости от необходимости. Это и колеса, и смазка, и заточка, и многое другое. Примеров масса, и очевидно, что нельзя однозначно сказать: трение - это хорошо или плохо. Но оно есть, и наша задача - научиться использовать его на пользу человека.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Связь между силой тяжести и массой тела: динамометр.
Следующая тема: Трение в природе, быту и технике: еще больше ПРИМЕРОВ

Силы трения возникают при непосредственном контакте поверхностей двух твердых тел. Различают силы трения — покоя, скольжения и качения. Когда тело не скользит по поверхности другого тела, а катится, то в этом случае сопротивление оказывает сила трения качения. Трение качения в десятки раз меньше трения скольжения. Разберемся с механизмом возникновения этой силы.

Катить легче, чем тащить

В повседневной жизни мы пользуемся преимуществами качения практически ежедневно:

Тяжелые, крупногабаритные предметы можно легко переместить, подложив под них круглые катки или трубы. Например, чтобы передвигать по асфальту чугунную болванку массой в 1 тонну, нужно приложить силу в 200 кгс — на такое способны только могучие силачи. А на тележке катить эту же болванку сможет даже ребенок, ведь для этого нужна сила не более 10 кгс;
Все транспортные средства, перемещающиеся по поверхности земли, используют колеса;
Для облегчения подъема тяжелых предметов на высоту с давних времен применяется блок, имеющий форму колеса;
Роликовые и шариковые подшипники качения применяются во всех устройствах, когда требуется добиться минимального трения во вращающихся деталях.

Конечно, изобретение колеса — это одно из самых выдающихся достижений человеческой цивилизации.

Рис. 1. Примеры силы трения качения.

Итак, сила трения качения — это сила, возникающая при качении тела по поверхности без проскальзывания. Существенным моментом в этом определении является исключение проскальзывания, потому что при проскальзывании трение возрастает в десятки раз!

Почему возникает сила трения качения

Круглый предмет (диск, шар, цилиндр) при качении слегка вдавливается в поверхность, образуя “ямку и бугорок”. Получается так, катящееся тело собственным весом создает себе препятствие (бугорок), и преодолевает его как бы вкатываясь все время в гору. При этом само тело тоже немного деформируется.

Вторая причина - сила сцепления (адгезия), возникающая между поверхностями в момент контакта. Адгезия возникает в результате межмолекулярного взаимодействия.

Рис. 2. Возникновение силы трения качения.

Чем тверже поверхность, по которой катится тело, тем меньше будет “ямка” (вдавливание) и, значит, меньше сила трения качения. Сопротивление качению меньше, чем трение скольжения, потому что площадь контакта обычно очень мала, и поэтому нормальная сила, придавливающая тело к поверхности, тоже мала и недостаточна, чтобы предотвратить движение тела.

Для железнодорожного транспорта, где колеса и рельсы стальные, трение при качении во много раз меньше, чем у грузовых автомобильных шин. Если бы само тело и поверхность были абсолютно твердыми, то сила трения была бы рана нулю.

От чего зависит и чему равна сила трения качения

Если круглое тело, например, колесо радиусом R катится по поверхности, то для формулы силы трения качения F t справедливо следующее выражение:

$ F_t = N * {μ\over R} $ (1),

N — прижимающая сила, Н;

μ — коэффициент трения качения, м/Н.

Из формулы следует, что F t растет с ростом массы тела и уменьшается с увеличением радиуса колеса R . Это и понятно: чем больше колесо, тем меньшее значение имеют для него неровности поверхности (бугорки), по которой оно катится.

Коэффициент трения качения μ имеет размерность $[м/Н]$ в отличии от коэффициента трения скольжения k , который безразмерен.

Рис. 3. Формула для силы трения качения.

Подшипники

Для снижения трения скольжения сначала была изобретена смазка, которая позволила добиться уменьшения трения в 8-10 раз. И только в конце ХIХ века возникла идея заменить в подшипнике трение скольжения трением качения. Эту замену осуществляют шариковые и роликовые подшипники. При вращении колеса или вала двигателя шарики (или ролики) катятся по втулке (обойме для шариков), а вал или ось колеса — по шарикам. Таким способом удалось снизить трение в десятки раз.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали что представляет собой сила трения качения. Рассмотрели два основных механизма, вызывающих эту силу. Согласно формуле (1) сила трения качения растет с ростом веса тела и уменьшается с увеличением радиуса колеса. Роликовые и шариковые подшипники качения находят свое применение в большинстве устройств, имеющих вращающиеся детали.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.2 . Всего получено оценок: 285.

Тре́ние каче́ния - сопротивление движению, возникающее при перекатывании тел друг по другу т.е. сопротивление качению одного тела (катка) по поверхности другого. Причина трения качения - деформация катка и опорной поверхности, а также силы адгезии . Контактное напряжение в пятне приводит к упругому и/или пластическому деформированию тел, что влечёт микропроскальзывание поверхностей, пластическое течение в пятне контакта и вязкоупругий гистерезис. Как и адгезивное взаимодействие, все эти процессы термодинамически необратимы и ведут к потере энергии, т.е. вызывают сопротивление качению . При этом обычно предполагается, что катящееся тело (колесо) не осуществляет тяговую или тормозную функцию (например, колесо локомотива, разгоняющего состав или заторможенное колесо вагона), так как при этом возникают дополнительные потери на трение в пятне контакта, вызванные не только нормальным контактным напряжением, а ещё и касательным, т.е. под трением качения понимается чистое трение качения .

Проявляется, например, между элементами подшипников качения , между автомобильной шиной колеса автомобиля и дорожным полотном. В большинстве случаев величина трения качения гораздо меньше величины трения скольжения при прочих равных условиях, и потому качение является распространенным видом движения в технике. Трение качения возникает на границе двух тел, и поэтому оно классифицируется как вид внешнего трения.

Трение качения играет огромную роль в современной технике. Оно возникает при вращении колёс и других вращающихся деталей, которые есть почти во всех станках и транспортных машинах. Замена трения скольжения на трение качения путём изобретения колеса было величайшим событием в истории цивилизации .