Оточуючий нас світ не був би таким стабільним, якщо б не існувало сили тертя спокою. Будинки, машини, предмети на столах і полицях і навіть сама людина не могли б стояти на одному місці і постійно б зісковзували. У статті розкриємо питання, що це – сила тертя спокою.
Предмет на горизонтальній поверхні
Перш ніж відповідати на питання, що це – сила тертя спокою, вивчимо положення тіла на горизонтальній поверхні з точки зору динаміки.
Кожен знає, що якщо поставити склянку з водою на стіл, то він буде спочивати на своєму місці, поки хто-небудь його знову не візьме. Які сили діють на склянку? Звичайно ж, сила тяжіння або вага тіла. Її величина прямо пропорційна масі, і вектор спрямований вертикально вниз.
На перший погляд може здатися, що більше на склянку ніяка сила не надає дію. Однак якщо б це було так, то він би провалився крізь стіл за рахунок дії сили тяжіння. Значить, існує певна протидія цій силі, яка дорівнює їй за модулем і протилежно по напрямку. Цим протидією є реакція опори. Далі будемо позначати її літерою N.
Фізичною причиною реакції опори є сила пружності, що діє на тіло з боку деформованої поверхні (поверхня столу діє вертикально вгору на склянку з водою). У більшості випадків ці деформації не видно неозброєним оком, проте вони завжди присутні, яким би маленьким не був вагу тіла, і яким би жорстким і міцним не був матеріал поверхні.
Таким чином, математична запис склянки на столі виглядає так:
N = m * g
Вплив зовнішньої сили
Продовжимо розглядати описаний вище приклад з точки зору фізики. Припустимо, що ми захотіли пересунути склянку з водою з одного кута столу на інший. Щоб це зробити, необхідно прикласти деяку зовнішню силу. Причому, якщо її прикладати вертикально вниз або вгору, то ми не доб’ємося руху склянки уздовж поверхні столу. Тобто сила повинна бути паралельна площині столу.
При додатку невеликий паралельної сили можна помітити, що склянка продовжує перебувати в стані спокою. Сили реакції опори і ваги тіла направлені перпендикулярно поверхні, тому протидії зовнішньої паралельної сили вони не мають. За це протидія відповідальна сила тертя спокою. Це взаємодія, яке з’являється тільки у разі наявності зовнішньої паралельної сили. Нагадаємо, що якщо стакан не чіпати, то на нього діють тільки вагу тіла і реакція поверхні столу.
Таким чином, сила тертя спокою – це сила, яка виникає в області контакту двох твердих поверхонь і перешкоджає будь-якому відносному зміщенню цих поверхонь.
Чому з’являється ця сила?
Ми розглянули, як проявляє себе тертя спокою на прикладі склянки з водою на столі. Проте залишається відкритим питання: чому існує ця сила?
У стані спокою сила тертя головним чином зобов’язана наявності нерівностей на поверхнях механічного контакту. Мікроскопічні шорсткості завжди присутні на будь-яких поверхнях, навіть ідеально відполірованих. Мікроскопічні западини однієї поверхні попадають на піки іншого, що призводить до простого механічного зацеплению тел. Саме на подолання цього зачеплення спрямована дотична до поверхні зовнішня сила.
Існує ще одна причина тертя спокою, яка починає грати все більшу роль, ніж більш гладкими є поверхні контакту. Це електрохімічне взаємодія атомів і молекул різних тел. Ця причина стає очевидною, якщо відполірувати два металевих листа, потім прикласти їх один до одного і спробувати зрушити.
Максимальна тертя спокою
Коли школярам вчитель фізики задає питання, за якою формулою розраховується сила тертя спокою (в 7 класі тертя починають вивчати), то вони дружно називають наступне вираз:
Ft = µ * N
Де µ – деякий коефіцієнт. Така відповідь школярів не можна вважати вірним на 100 %. Справа в тому, що за вказаною формулою визначається максимально можлива величина розглянутої сили, але вона може бути і менше, що найчастіше трапляється на практиці.
Слід запам’ятати, що сила тертя спокою – це змінна характеристика. Завжди, коли тіло спочиває, її величина дорівнює по модулю зовнішньої дотичній до поверхні силі. Коли ж тіло починає рух, то говорити про тертя спокою вже не можна (з’являється інший вид тертя – ковзання). Наведений вираз для Ft дозволяє обчислити тертя спокою в момент початку руху тіла.
Коефіцієнт тертя µ
У формулі для максимальної сили Ft був введений коефіцієнт сили тертя спокою – величина µ. Він є безрозмірним, оскільки реакція опори N вимірюється в ньютонах.
Цей коефіцієнт теоретично визначити не можна, оскільки він залежить від великої кількості факторів: матеріалів поверхонь, якості їх обробки (шорсткість), від чистоти поверхонь, їх температури, мікроскопічної структури і деяких інших. У зв’язку з цим величину µ вимірюють експериментально. Наприклад, якщо до склянці в прикладі вище прикріпити динамометр і виміряти максимальну силу Ft, то, знаючи масу склянки з водою, можна визначити µ.
Значення коефіцієнта µ занесені в спеціальні таблиці для кожної пари поверхонь контакту. Так, у нашому прикладі скло рухається по дереву. Відповідний µ дорівнює 0,25.
Далі наведемо приклад розв’язання двох задач, в яких буде зрозуміло, що це – сила тертя спокою, і як вона діє на практиці.
Завдання на визначення зміни сили тертя
Відомо, що склянка з водою загальною масою 400 грам коштує на горизонтальному столі. Стіл нахиляють на 5o до горизонту. Як змінюється сила тертя спокою при цьому? Почне ковзати склянку по столу?
Оскільки спочатку склянку стоїть на горизонтальному столі, то тертя спокою дорівнює нулю. Коли стіл нахиляють, то виникає паралельна його поверхні складова вектора сили тяжіння. Вона дорівнює:
F = m * g * sin(α)
Оскільки сила тертя спокою дорівнює величині F, то отримуємо, що її зміна в результаті нахилу складе 0,34 Н.
Тепер відповімо на друге запитання задачі. При нахилі на 5o максимальна сила тертя спокою дорівнює:
Ft = µ * m * g * cos(α)
Отримуємо значення Ft = 0,98 Н. Оскільки ця величина більше, ніж розрахована сила тертя спокою, то склянка по столу не буде рухатись при куті нахилу 5o.
Завдання на визначення роботи тертя спокою
У фізиці називається роботою скалярний добуток вектора переміщення вектора сили. Коли тіло спочиває, то модуль його переміщення дорівнює нулю. Останнє означає, що роботу розглянута сила здійснювати не може (вона діє тільки у спокої).
Тепер уявімо таку ситуацію: два бруска лежать один на одному. На нижній з них діє сила F, яка приводить його в равноускоренное рух з прискоренням a. Верхній брусок щодо нижнього спочиває. Оскільки верхній брусок теж рухається з прискоренням a, і на нього діє тільки сила тертя спокою, і виходить, що вона робить позитивну роботу. Чому дорівнює ця робота? За час руху t сила тертя спокою здійснює роботу:
A = Ft * l = F * a * t2 / 2
Зауважимо, що якщо величина F виявиться більше, ніж максимальне значення Ft, то верхній брусок зісковзне з поверхні нижнього.
