Коефіцієнт тертя і ситуації, в яких він виникає

Що таке коефіцієнт тертя у фізиці і з чим він пов'язаний? Як обчислюють цю величину? Чому чисельно дорівнює коефіцієнт тертя? На ці та деякі інші питання, які зачіпає основна тема, ми дамо відповіді в ході статті. Звичайно ж, розберемо і конкретні приклади, де ми стикаємося з явищем, в якому фігурує коефіцієнт тертя.

Що таке тертя?

Тертя – один з видів взаємодій, що відбуваються між матеріальними тілами. Виникає процес тертя між двома тілами при їх зіткненні тієї чи іншої площею поверхні. Як і багато інші види взаємодії, тертя існує виключно з оглядкою на третій закон Ньютона. Як це виходить на практиці? Візьмемо два абсолютно будь тіла. Нехай це будуть два дерев'яних бруска середніх розмірів. Почнемо проводити їх один повз одного, здійснюючи зіткненні по площах. Ви помітите, що переміщення їх відносно один одного стане помітно складніше, ніж просто переміщати їх в повітрі. Тут як раз свою роль починає грати коефіцієнт тертя. В даному випадку ми абсолютно спокійно можемо говорити про те, що сила тертя може бути описана третім законом Ньютона: вона, прикладена до першого тіла, буде чисельно дорівнює (по модулю, як люблять говорити у фізиці) такої ж сили тертя, прикладеної до другого тіла. Але не будемо забувати, що в третій закон Ньютона є мінус, що говорить про те, що сили хоч і рівні між собою за модулем, але спрямовані в різні сторони. Таким чином, сила тертя – векторна.

Природа сили тертя

Як і пружні сили, сила тертя має електромагнітну природу. Внаслідок чого вона виникає? Вся справа в тому, що атоми і молекули тіл, які зазнають зіткнення, починають взаємодіяти один з одним.

Сила сухого тертя

Це сила, яка виникає при контакті двох або більше твердих тел. При цьому обов'язковою умовою буде відсутність між цими тілами газоподібному та рідкому прошарку. Сила сухого тертя у всіх випадках спрямована по дотичній лінії, проведеної до стичним площ. Одна з різновидів такого процесу – тертя спокою. Воно виникає навіть у тому випадку, якщо тіла покояться один щодо одного. Визначається таке тертя як величина сили, прикладеної ззовні. У даному випадку сила повинна бути спрямована в протилежну сторону.

Обмеження сили тертя спокою

Відповідна сила завжди має деяке максимальне (граничне) значення. Якщо зовнішня сила стає за модулем ще більше і, врешті-решт, перевершує це максимальне значення, між тілами ми зможемо спостерігати прослизання. Тобто тіло прийде в рух. Це явище також можна пов'язати з другим законом Ньютона, який розповідає про суму сил, їх компенсації і, як результат всього цього, рівноприскореному русі тіла.

Сила тертя ковзання

Раніше було сказано про те, що якщо зовнішня сила перевищує певне максимальне значення, допустиме для відповідної системи, то тіла, що входять в таку систему, прийдуть у рух відносно один одного. Буде рухатися тіло одне або два, або більше – все це неважливо. Важливо те, що в цьому випадку виникає сила тертя ковзання. Якщо говорити про її напрямку, то направлена в сторону, що протилежна напрямку ковзання (чи руху). Залежить вона від того, яку мають відносну швидкість тіла. Але це якщо вдаватися до різного роду фізичні нюанси. Необхідно зауважити, що в більшості випадків прийнято вважати силу тертя ковзання незалежної від швидкості одного тіла відносно іншого. Вона також ніяк не пов'язана з максимальним значенням сили тертя спокою. Величезна кількість фізичних задач вирішуються саме за допомогою застосування аналогічної моделі поведінки, що дозволяє істотно полегшити процес рішення.

Що таке коефіцієнт тертя ковзання?

Це є не що інше, як коефіцієнт пропорційності, який присутній у формулі, яка описує процес прикладання сили тертя до того чи іншого тіла. Коефіцієнт – це безрозмірна величина. Іншими словами, він виражається виключно числами. Він не вимірюється в кілограмах, метрах або ще чимось. Практично у всіх випадках коефіцієнт тертя чисельно менше одиниці.

Від чого він залежить?

Залежить коефіцієнт тертя ковзання від двох факторів: від того, з якого матеріалу виготовлені тіла, які зазнають зіткнення, а також від того, як оброблена їх поверхню. Вона може бути рельєфною, гладкою, а також на неї може бути нанесено якусь спеціальну речовину, яка буде або знижувати або підвищувати тертя.

Як спрямована сила тертя?

Вона направлена в сторону, що протилежна напрямку руху двох або більше дотичних тел. Вектор напрямку прикладається по дотичній лінії.

Якщо контакт відбувається між твердим тілом і рідиною

У тому випадку, якщо відбувається зіткнення твердого тіла з рідиною (або деяким обсягом газу), ми можемо говорити про виникнення сили так званого в'язкого тертя. Вона, звичайно ж, чисельно значно менша, ніж сила сухого тертя. Але напрям (вектор дії) зберігається тим же. У разі в'язкого тертя про спокій говорити не доводиться. Пов'язана відповідна сила зі швидкістю тіла. Якщо швидкість маленька, то сила буде пропорційна швидкості. Якщо висока, то вона буде пропорційна вже квадрату швидкості. Коефіцієнт пропорційності буде нерозривно пов'язаний з тим, яку форму мають тіла, між якими відбувається зіткнення.

Інші випадки виникнення сили тертя

Має місце даний процес і при коченні-якого тіла. Але зазвичай їм в задачах нехтують, тому що сила тертя кочення дуже і дуже мала. Це, насправді, спрощує процес вирішення відповідних завдань, хоча при цьому зберігається достатній ступінь точності підсумкового відповіді.

Внутрішнє тертя

Цей процес також називається у фізиці альтернативним словом "в'язкість". Насправді він являє собою відгалуження явищ переносу. Властивий цей процес текучості тіл. Причому мова йде не тільки про рідинах, але і про газоподібних речовинах. Властивість в'язкості полягає в наданні опору при перенесенні однієї частини речовини відносно іншої. При цьому логічно відбувається робота, необхідна на переміщення частинок. Але вона розсіюється в навколишньому просторі у вигляді тепла. Закон, що визначає силу в'язкого тертя, був запропонований ще Ісааком Ньютоном. Сталося це в 1687 році. Закон і по сьогоднішній день носить ім'я великого вченого. Але все це було тільки в теорії, а експериментальне підтвердження вдалося отримати тільки в початку 19-го століття. Відповідні досліди ставилися Кулоном, Хагеном і Пуазейлем. Отже, сила в'язкого тертя, яка діє на рідину вплив, пропорційна відносній швидкості шарів, а також площі. У той же час вона обернено пропорційна тій відстані, на якому розташовуються шари відносно один одного. Коефіцієнт внутрішнього тертя - це коефіцієнт пропорційності, який у даному випадку визначається сортом газу або рідкого речовини. Аналогічним чином буде визначатись і інший коефіцієнт, який має місце в ситуаціях з відносним рухом двох течій. Це, відповідно, коефіцієнт гідравлічного тертя.