Тертя є тим фізичним процесом, без якого не могло б існувати сам рух в нашому світі. У фізиці для обчислення абсолютного значення сили тертя необхідно знати спеціальний коефіцієнт для розглянутих тертьових поверхонь. Як знаходити коефіцієнт тертя? На це питання відповість дана стаття.
Тертя у фізиці
Перш ніж відповідати на питання, як коефіцієнт тертя знаходити, необхідно розглянути, що таке тертя та якою силою воно характеризується.
У фізиці виділяють три види цього процесу, що протікає між твердими об’єктами. Це тертя спокою, ковзання і кочення. Тертя спокою виникає завжди, коли зовнішня сила намагається зрушити з місця об’єкт. Тертя ковзання, судячи по назві, виникає при ковзанні однієї поверхні по іншій. Нарешті, тертя кочення з’являється, коли круглий об’єкт (колесо, кулька) котиться по деякій поверхні.
Об’єднує всі види той факт, що вони перешкоджають будь-якого руху і точка прикладення сил знаходиться в області контакту поверхонь двох об’єктів. Також всі ці види переводять механічну енергію в тепло.
Причинами сил тертя ковзання і спокою є шорсткості мікроскопічного масштабу на поверхнях, які труться. Крім того, ці види обумовлені диполь-дипольним та іншими видами взаємодій між атомами і молекулами, які утворюють поверхні тіла.
Причина тертя кочення пов’язана з гістерезисом пружної деформації, яка з’являється в точці контакту котиться об’єкта і поверхні.
Сила тертя і коефіцієнт тертя
Всі три види сил твердого тертя описуються виразами, що мають одну і ту ж форму. Наведемо її:
Ft = ut*N.
Тут N – сила, що діє перпендикулярно поверхні на тіло. Вона називається реакцією опори. Величина ut – називається коефіцієнтом відповідного виду тертя.
Коефіцієнти тертя ковзання і спокою є безрозмірними величинами. Це можна зрозуміти, якщо подивитися на рівність сили тертя і коефіцієнта тертя. Ліва частина рівності виражається в ньютонах, права частина також виражається в ньютонах, оскільки величина N – це сила.
Що стосується тертя кочення, то коефіцієнт для нього теж буде величиною безрозмірною, однак він визначається у вигляді відношення лінійної характеристики пружної деформації до радіусу котиться об’єкта.
Слід сказати, що типовими значеннями коефіцієнтів тертя ковзання і спокою є десяті частки одиниці. Для тертя кочення цей коефіцієнт відповідає сотим і тисячним часток одиниці.
Як знаходити коефіцієнт тертя?
Коефіцієнт ut залежить від низки чинників, які важко врахувати математично. Перерахуємо деякі з них:
- матеріал тертьових поверхонь;
- якість обробки поверхні;
- наявність на ній бруду, води і так далі;
- температури поверхонь.
Тому формули для ut не існує, і його доводиться виміряти експериментально. Щоб зрозуміти, як коефіцієнт тертя знаходити, його слід висловити з формули для Ft. Маємо:
ut = Ft/N.
Виходить, що для знання ut необхідно знайти силу тертя і реакцію опори.
Відповідний експеримент виконують наступним чином:
При цьому динамометр показує деяку силу, яка дорівнює Ft. Реакція опори дорівнює вазі тіла на горизонтальній поверхні.
Описаний спосіб дозволяє зрозуміти, чому дорівнює коефіцієнт тертя спокою, ковзання. Аналогічним чином можна експериментально визначити ut кочення.
Другий експериментальний метод визначення ut наводиться у формі завдання в наступному пункті.
Завдання на обчислення ut
Дерев’яний брус знаходиться на скляній поверхні. Нахиляючи плавно поверхню, встановили, що ковзання бруса починається при куті нахилу 15o. Чому дорівнює коефіцієнт тертя спокою для пари дерево-скло?
Коли брус перебував на похилій площині при 15o, то сила тертя спокою для нього мала максимальне значення. Вона дорівнює:
Ft = m*g*sin(α).
Сила N визначається за формулою:
N = m*g*cos(α).
Застосовуючи формулу для ut, отримуємо:
ut = Ft/N = m*g*sin(α)/(m*g*cos(α)) = tg(α).
Підставляючи кут α, приходимо до відповіді: ut = 0,27.
