Як знайти коефіцієнт тертя для різних видів тертя?

Явище тертя у житті людини відіграє як позитивну, так і негативну роль. З одного боку, без його присутності було б неможливим рух, з іншого ж боку, з-за тертя відбуваються величезні втрати енергії і робочих матеріалів. У статті розглянемо з точки зору фізики, що собою являє тертя, а також як знайти коефіцієнт тертя.

Явище тертя

Тертя – це контактна явище, яке виникає в зоні зіткнення різних тіл, і яке надає протидія будь-якому їх взаємному руху.

У механіці руху твердих тіл виділяють три види тертя:

  • чинне в спокої;
  • чинне під час ковзання поверхонь один по одному;
  • виникає при коченні тел.

Тертя спокою виникає, коли ми прикладаємо зовнішню дотичну до поверхні силу до тіла, щоб зрушити його з місця. Яскравими прикладами тертя ковзання є ковзання лиж по снігу. Нарешті, тертя під час кочення проявляє себе, коли колесо транспортного засобу котиться по дорозі.

Формула для визначення сили тертя

У фізиці перераховані види тертя описуються однією і тією ж формулою при розрахунку діючих сил. Ця формула має наступний вигляд:

Ft = µ * N.

Сила тертя Ft дорівнює добутку коефіцієнта тертя µ на реакцію опори N. При розгляді відповідного виду тертя змінюється лише значення коефіцієнта µ, який є величиною безрозмірною.

У разі сил тертя спокою, ковзання величина µ становить близько десятих часток одиниці. Залежить µ від контактуючих матеріалів, від шорсткості їх поверхні, і не залежить від площі контакту або швидкості ковзання.

Для тертя кочення коефіцієнт µ (його прийнято позначати CR) залежить від характеристик пружності котиться тіла, від його твердості, від радіуса кочення і деяких інших факторів. Для більшості матеріалів величина цього коефіцієнта для кочення складає соті і тисячні частки від одиниці.

Оскільки впливають на величину µ факторів багато, певної математичної формули для його розрахунку не існує. Відповідаючи на питання, як знайти коефіцієнт тертя, слід сказати, що його вимірюють експериментально.

Визначення коефіцієнта µ

У цьому пункті розглянемо два способи практичного визначення величини µ на прикладі тертя ковзання і спокою.

Перший спосіб, дає відповідь на питання, як знайти коефіцієнт тертя, полягає в приміщенні на горизонтальну площину бруска, до якого прикріплений динамометр. Брусок і площину виготовлені з досліджуваної пари матеріалів, наприклад, скла і дерева. Переміщаючи рівномірно брусок, взявшись за динамометр, можна визначити силу ковзання Ft. Знаючи масу m бруска, коефіцієнт µ розраховують так:

µ = Ft / (m * g).

Другий спосіб зручний для визначення µ для тертя спокою. Для цього необхідно помістити на горизонтальну площину брусок. Потім, слід повільно піднімати один кінець площині, нахиляючи її на деякий кут до горизонту. При певному куті θ брусок почне зісковзувати з поверхні. Вимірявши цей кут, коефіцієнт тертя µ можна визначити з рівності:

µ = tg(θ).

Вимірювання µ для тертя кочення припускає використання більш складної установки, яка називається похилою маятником. Розрахунок µ в цьому випадку виконується за допомогою дослідження рівнянь динаміки руху.