Трение

Для скользящей шины на сухом бетоне коэффициент трения составляет около 0.7, а на мокром снижается примерно до 0.5.

Сила, мешающая скольжению

Трение возникает между соприкасающимися поверхностями и препятствует их скольжению друг относительно друга. Из-за него останавливается скользящая книга, работают тормоза и вообще возможна ходьба: попробуй пройти по гладкому льду, и ты поймёшь, насколько от него зависишь. Трение всегда направлено вдоль поверхности против движения или против того движения, которое возникло бы без трения. В OpenStax отмечается, что при всей своей распространённости трение устроено очень сложно и до сих пор изучено не полностью, поэтому мы во многом опираемся на простые закономерности, установленные опытным путём.

Под микроскопом даже отполированные поверхности оказываются шероховатыми и соприкасаются только вершинами крошечных выступов. Часть трения возникает из-за зацепления этих выступов, а значительная часть связана со сцеплением молекул двух поверхностей в местах контакта.

Трение покоя и трение скольжения

Слегка толкни тяжёлый ящик, и он не сдвинется. Сила трения покоя точно уравновешивает твой толчок, поэтому равнодействующая равна нулю. Нажми сильнее, и трение покоя тоже возрастёт, но лишь до определённого предела. Когда ты превысишь этот предел, ящик начнёт скользить, и будет действовать трение скольжения. Обычно оно слабее, поэтому уже движущийся ящик легче поддерживать в движении. Для трения покоя f_s ≤ μ_s N, а для трения скольжения f_k = μ_k N, где N обозначает реакцию опоры, а μ (греческая буква «мю») является коэффициентом трения для данной пары поверхностей.

В OpenStax эти значения намеренно приведены с одной или двумя значащими цифрами: трение зависит от чистоты, шероховатости и влажности поверхностей, поэтому коэффициенты приблизительны. Возьмём ящик массой 100 kg на горизонтальном полу с μ_s = 0.45 и μ_k = 0.30. Сила тяжести, а значит, и реакция опоры равна 100 × 9.81 = 981 N. Чтобы сдвинуть его, нужно приложить силу больше 0.45 × 981 ≈ 441 N. Для равномерного скольжения достаточно 0.30 × 981 ≈ 294 N.

От чего трение не зависит

Как ни удивительно, трение почти не зависит от площади контакта. Кирпич скользит примерно с одинаковой силой трения и на широкой грани, и на узком торце. Реальное соприкосновение происходит только на выступах, и более сильное прижатие увеличивает именно эту истинную площадь контакта. Простое распределение веса по большей грани этого не делает. Трение зависит от реакции опоры и материалов. При обычных скоростях трение скольжения также мало меняется со скоростью, в отличие от сопротивления воздуха.

Измерь μ с помощью книги и монеты

Положи монету на книгу в твёрдом переплёте и медленно наклоняй книгу. При некотором угле монета начнёт скользить. Постукивая по книге, найди угол, при котором она скользит вниз равномерно. Тогда составляющая силы тяжести вдоль наклона m g sin θ равна силе трения скольжения μ_k m g cos θ, поэтому μ_k = tan θ. Если монета скользит равномерно при 17°, то μ_k ≈ tan 17° ≈ 0.31.

Трение определяет и то, насколько быстро может остановиться автомобиль. Если колёса заблокированы и шины скользят, единственной горизонтальной силой остаётся трение скольжения. Поэтому модуль замедления равен μ_k g, а тормозной путь составляет v² ÷ (2 μ_k g). При скорости 25 m/s (90 km/h) и μ_k = 0.7 на сухом бетоне машина проскользит около 45.5 m, а на мокром бетоне с μ_k = 0.5 около 63.7 m. Это упрощённая модель: она не учитывает время реакции водителя и антиблокировочную систему современных автомобилей, благодаря которой шины сохраняют сцепление за счёт трения покоя.