Навколишній нас світ – це світ руху, в якому жодне тіло не знаходиться в стані абсолютного спокою. У той же час нерівномірний рух було б неможливим, якби не існувала так звана сила тертя. У цій статті наведемо приклади прояву сили тертя в природі й техніці.
Що таке тертя у фізиці
Перш ніж розглядати приклади сили тертя в природі й техніці, слід зрозуміти? що являє собою ця сила.
Під тертям у фізиці розуміють будь-яке силове взаємодія, яке перешкоджає механічного руху і з’являється в області контакту двох тел. Сила тертя – це контактна сила взаємодії, причому агрегатний стан контактуючих матеріалів не має ніякого значення в плані існування цієї сили.
У загальному випадку виділяють чотири види тертя. Перші три з них відносяться до контакту твердого тіла з твердим. Це такі види:
- тертя спокою;
- тертя ковзання;
- тертя кочення.
Четвертий вид тертя не має спеціальної назви. Він проявляється при русі тіл в текучих субстанціях, тобто в газах і рідинах.
Тертя спокою і приклади його дії
Почнемо розкриття питання сили тертя в техніці і природі з прикладів прояву тертя спокою. Цей вид тертя діє між будь-яким твердим тілом і поверхнею, на якій воно спочиває. Сила тертя спокою прямо пропорційна реакції опори N, з якої поверхня діє на тіло. Відповідна формула для обчислення має вигляд:
Ft = ut × N,
де ut – коефіцієнт, який вимірюється експериментально і залежить від матеріалу взаємодіючих тел.
Кожен з нас помічав: щоб зрушити будь-який предмет, необхідно прикласти певну силу. Наприклад, пересунути шафу або штовхнути машину з місця. Складність виконання цих маніпуляцій пов’язана з дією тертя спокою проти спрямованої людиною зовнішньої сили.
Важливість тертя спокою величезна. Так, завдяки цій силі предмети не падають з полиць і столів, які злегка нахилені до обрію. Завдяки тертя спокою виявляється можливим саме рух людей та транспортних засобів. Наприклад, коли підошва нашої ноги відштовхується від підлоги, щоб повідомити тілу спрямований вперед імпульс, то відсутність прослизання підошви по підлозі забезпечується тертям спокою.
Тертя ковзання і приклади його прояви
Продовжуючи розгляд сили тертя в природі й техніці, перейдемо до тертя ковзання. Під ним розуміють існування контактної сили, що перешкоджає руху ковзання одного твердого тіла по поверхні іншого. Формула для визначення цієї сили має точно такий же вигляд, як для тертя спокою, тому приводити її не будемо. Проте відзначимо, що коефіцієнт тертя ковзання ut завжди на кілька десятків відсотків менше аналогічного коефіцієнта для тертя спокою. Останнє означає, що сила, що перешкоджає ковзанню, завжди менша від тієї, що перешкоджає початку руху.
Яскравими прикладами в техніці сили тертя ковзання є катання на ковзанах і лижах. В обох випадках прагнуть зменшити розглядається силу тертя, щоб ковзання відбувалося з найменшими енергетичними втратами. Так, у разі лиж використовують спеціальну змазку на основі воску. Він робить поверхню лиж менш шорсткою, що сприяє зменшенню сили тертя. У разі ковзанів слід зазначити, що в області зіткнення стали і льоду в результаті величезного тиску відбувається плавлення льоду. З’явилася тонка водяна прошарок значно зменшує коефіцієнт тертя між сталевим коником і льодом.
Прикладом в природі сили тертя ковзання є наступний: в зимовий час часто можна бачити, що вулиці в містах посипають сіллю і піском. Роблять це з метою збільшення сили тертя спокою, ковзання, що запобігає травми пішоходів від падіння на слизькій поверхні і скорочує кількість автомобільних аварій на дорогах.
Тертя кочення в техніці
Винахід колеса стало гігантським кроком вперед у розвитку людства. Це стало можливим завдяки силі тертя кочення. Формула для її розрахунку ідентична виразів для описаних вище видів тертя. Тим не менше ця сила має зовсім іншу природу. Вона пов’язана не з шорсткостями на поверхнях, а з деформацією котиться тіла, наприклад, колеса.
Важливою відмінністю сили тертя кочення від сил тертя спокою, ковзання є те, що воно в багатьох випадках в 10-100 разів менше. Саме тому автомобілі здатні рухатися по дорогах з шаленою швидкістю і малими енергетичними витратами.
Ще одним прикладом у техніці сили тертя кочення є обертання підшипників навколо відповідних металевих осей. Для зменшення тертя кочення і ковзання в підшипниках також використовують мастило. Зазначимо, що винахід підшипника має не менш важливе значення, ніж винахід самого колеса. Завдяки підшипників здійснюються всі види обертального руху різних механізмів (лопатей, педалей, коліс).
Тертя в текучих субстанціях
Це тертя з’являється завжди, коли тверде тіло рухається в обсязі газу або рідини. Прикладами в техніці і природі сили тертя в газах є польоти літаків і птахів.
У рідинах тертя діє на мешканців морів і океанів, коли вони пливуть під водою. Загострена форма риб, а також підводних човнів і кораблів покликана зменшити силу тертя при русі у воді.
Дія різних видів тертя на прикладі руху автомобіля
Вище було наведено низку прикладів сил тертя в техніці та природі. В дійсності ж при русі об’єкта на нього одночасно надають дію кілька видів сил тертя. Наприклад, щоб почати рух, автомобіль повинен подолати силу тертя спокою. Як тільки він це зробить, то в процесі переміщення по дорозі на нього почне діяти тертя кочення. При повороті або гальмуванні автомобіля відбувається часткове прослизання коліс по асфальту, тобто з’являється тертя ковзання. Нарешті, при русі автомобіль долає не тільки тертя кочення, але і пов’язане з впливом повітря тертя.
