Тертя відіграє величезну роль у техніці та природі. Завдяки його дії рухаються пішоходи і автомобілі, а предмети, що знаходяться на похилих поверхнях, не зісковзують з них. У цій статті розглянемо фізичні причини виникнення сил тертя.
Причини появи сили тертя спокою
У фізиці розглядають декілька видів сил тертя. Почнемо з обговорення тертя спокою. Воно являє собою контактна взаємодія між двома твердими поверхнями, що перешкоджає будь-якому їх відносного зсуву. Наприклад, щоб зрушити шафа або коробок з місця, необхідно подолати цю силу.
Причинами виникнення сили тертя спокою є шорсткості контактуючих поверхонь і слабкі електрохімічні взаємодії між атомами і молекулами, що утворюють аналізовані тіла.
Будь-яка тверда поверхня, наскільки гладкою вона не була, має мікроскопічні піки і западини неправильної форми. Коли одне тіло покоїться на поверхні іншого, то деякі піки першого тіла потрапляють у западини другого, і навпаки. Виникає більш або менш ефективне механічне зчеплення поверхонь. Очевидно: щоб зрушити розглянуті об’єкти, необхідно буде подолати це зчеплення.
Крім механічної причини, внесок в тертя спокою вносить також електрохімічне взаємодія атомів і молекул різних тел. Це взаємодія може носити дипольний або іонний (кулоновский) характер.
Зазначимо, що викладені причини і механізм появи тертя спокою пояснюють, чому відповідна сила від площі дотику тіл не залежить. Коли ця площа велика, то деформація піків і западин незначна, що зменшує ефективність одного мікроскопічного контакту. Однак таких контактів багато. Якщо тіло перевернути так, щоб площа зіткнення стала менше, то деформація пари пік-западина стає більше, підвищується ефективність контакту, однак самих контактів стає менше.
Які причини виникнення сили тертя ковзання
Такою силою, яку ми розглянемо, буде сила тертя ковзання. Виникає вона в області контакту двох твердих поверхонь, коли тіла ковзають один відносно одного. Ця сила завжди менше за розміром, ніж сила тертя спокою, однак від площі контакту вона також не залежить.
Причини виникнення сили тертя ковзання аналогічні таким для тертя спокою. Особливість ковзання полягає лише в тому, що мікроскопічні піки і западини поверхонь в процесі руху не встигають сильно деформуватися і здійснити щільний механічний контакт один з одним. Тому сила ковзання виявляється менше, ніж сила тертя спокою для однієї і тієї ж пари тел.
Знання названої причини виникнення сили тертя ковзання використовується в техніці для її зменшення або збільшення. Наприклад, застосування мастила для лиж зменшує шорсткість поверхні, що призводить до зниження сили тертя. Навпаки, використання солі та піску на слизьких дорогах покликане модифікувати поверхню в сторону збільшення її шорсткості.
Чому з’являється тертя кочення?
Ще одним видом тертя між твердими тілами є тертя кочення. Воно виявляє себе, коли будь-яке тіло котиться по поверхні, наприклад, колесо автомобіля по асфальту.
Яка причина виникнення сили тертя кочення? Природно, шорсткість дотичних поверхонь відіграє певну роль в уповільненні руху. Проте це не основна причина. Головною ж причиною є деформаційний гістерезис. В точці контакту колеса з поверхнею виникає деяка невелика пружна деформація. Коли колесо котиться, кожна зона його поверхні відчуває циклічну деформаційну навантаження. Неповне відновлення вихідної форми колеса після деформації називається гістерезисом. Саме він відповідальний за переклад механічної енергії в теплову, що на практиці проявляється у вигляді тертя кочення.
Причина тертя при русі в газах і рідинах
Кожен знає, що таке вітер, і морські течії. З точки зору фізики ці процеси являють собою спрямований рух величезного числа атомів і молекул, з яких складаються текучі субстанції. Причина виникнення сили тертя в цих субстанціях полягає в численних зіткненнях з молекулами газів і рідин твердого тіла при його русі в текучих субстанціях. Кожна молекула при зіткненні з тілом передає їй імпульс, спрямований проти вектора переміщення. Величина цього імпульсу невелика, проте число молекул величезна, тому результуюча сила тертя носить макроскопічний характер.
