Сила трения. 
Курс общей физики

Взаимодействие тел, соприкасающихся своими поверхностями, можно описать при помощи двух сил, одна из которых перпендикулярна к поверхности и называется силой нормального давления, а другая направлена по касательной к поверхности и называется силой трения. Эти силы приложены не к одной точке тела, а распределены по той части его поверхности, которая соприкасается с другими телами, т. е. эти силы действуют в любой точке поверхности тела, где оно испытывает воздействие со стороны других тел. На рис. 3.9 векторы N и F_mp есть результат сложения всех сил нормального давления и всех сил трения, действующих на поверхность тела, находящегося на наклонной плоскости.

Трение между движущимися слоями жидкости или газа, также как и трение, возникающее при движении твердого тела в жидкой или газообразной среде, называется вязким, или внутренним трением. Тогда как трение между соприкасающимися поверхностями твердых тел называется сухим, или внешним.

Основными причинами, которые обусловливают возникновение сил сухого трения, являются шероховатость соприкасающихся поверхностей и силы притяжения, действующие между молекулами, из которых состоят трущиеся твердые тела. Поверхность твердого тела не бывает идеально гладкой. На ней имеются различного рода неровности: микровыступы, впадины, трещины и т. п. При соприкосновении тел микровыступы одного тела внедряются во впадины другого. Это приводит к сцеплению поверхностей, которое будет препятствовать перемещению тел относительно друг друга. Если же поверхности тел достаточно гладкие, то во многих участках расстояние между телами может оказаться меньше радиуса действия меж молекулярных сил. При этом притяжение молекул приводит к слипанию тел на таких участках, что также будет препятствовать их относительному перемещению.

Рис. 3.9. Сила трения и сила нормального давления Рассмотрим тело, покоящееся на горизонтальной плоской поверхности.

(рис. 3.10). Приложим к телу силу F, направленную параллельно этой поверхности и будем постепенно ее увеличивать. В результате обнаружим, что тело будет находиться в покое до тех пор, пока величина этой силы не превысит некоторое значение F₀, т. е. тело будет покоиться при условии, что 0 < F < F₀. Такое поведение тела объясняется действием силы трения, которая препятствует его движению по поверхности. Запишем второй закон Ньютона для рассматриваемого тела в проекциях на ось х :

Рис. 3.10. Сила трения.

Уравнение (3.28) справедливо и для движущегося, и для покоящегося тела. Если тело покоится, то его ускорение равно нулю. При этом модули сил F и F_тр равны друг другу: F_mp = F. Сила трения, действующая на покоящееся тело, называется силой трения покоя. Так как для покоящегося тела F_mp. покоя = F, а приложенная сила F такова, что 0 < F < F₀ модуль силы трения покоя будет удовлетворять неравенству.

Когда модуль силы F станет больше F_c, тело начнет скользить по поверхности. Действующая на него в этом случае сила трения называется силой трения скольжения, которая всегда направлена противоположно вектору скорости тела. При этом модуль силы трения скольжения может довольно сложным образом зависеть от модуля скорости. Однако в приближенных расчетах такой зависимостью часто пренебрегают и считают силу трения скольжения постоянной величиной:

Давление, прижимающее твердые тела друг к другу, способствует механическому зацеплению неровностей на поверхностях этих тел и их слипанию. Поэтому можно предположить, что сила трения скольжения пропорциональна силе нормального давления N (закон Амонтона):

где р — безразмерный коэффициент трения скольжения. Модуль силы трения покоя удовлетворяет неравенству.

Опыт показывает, что эти соотношения во многих случаях выполняются с достаточно высокой точностью. Значение коэффициента трения определяется свойствами соприкасающихся поверхностей и может зависеть не только от положения тела, скользящего по поверхности, но и от его скорости.

Характерной особенностью вязкого трения является то, что для покоящегося относительно среды тела сила вязкого трения равна нулю. Сила, с которой сплошная среда действует на движущееся в ней тело, может быть описана формулой.

где знак минус означает, что сила вязкого трения направлена противоположно скорости. Коэффициент, а зависит от формы и размеров тела, состояния его поверхности и свойств среды. Этот коэффициент почти не зависит от модуля скорости, если скорость тела не очень велика. При больших скоростях коэффициент вязкого трения пропорционален модулю скорости тела: а ~~ v.