Все про силу тертя: види, формули та приклади

Сила тертя — це одне з тих фізичних явищ, які ми відчуваємо щодня, навіть не задумуючись про це. Ми ходимо, тримаємо предмети в руках, гальмуємо на велосипеді — і все це можливе саме завдяки тертю.

З одного боку, тертя допомагає нам у повсякденному житті. З іншого ж — воно може заважати руху, зношувати деталі механізмів і зменшувати ефективність роботи техніки. У цій статті ми детально це розберемо.

Що таке сила тертя?

Сила тертя — це сила, яка виникає під час контакту двох тіл і перешкоджає їхньому відносному руху або намагається його зупинити.

Простіше кажучи, коли одне тіло ковзає або намагається ковзати по поверхні іншого, між ними виникає опір — це і є сила тертя.

Наприклад, коли ви штовхаєте книгу по столу, вона не рухається вічно, а зупиняється через тертя. Або, коли ви йдете по підлозі, ноги не ковзають завдяки тертю між взуттям і поверхнею.

Чому виникає сила тертя?

Сила тертя виникає з двох основних причин:

1. Нерівності поверхонь.

Навіть якщо поверхня здається гладкою, на мікрорівні вона має виступи та западини. Саме тому, коли дві поверхні стикаються, ці нерівності «чіпляються» одна за одну.

2. Взаємодія молекул.

Між молекулами різних тіл діють сили притягання. Через це поверхні «прилипають» одна до одної, і для руху потрібно прикладати додаткову силу.

Від чого залежить сила тертя?

Сила тертя не є сталою — вона залежить від кількох чинників:

1. Сили притиснення (ваги тіла). Що сильніше тіло притискається до поверхні, то більша сила тертя.

2. Матеріалу поверхонь. Гума створює більше тертя, ніж лід або метал. Саме тому взимку на льоду дуже слизько.

3. Стану поверхні. Шорстка поверхня збільшує тертя, а гладка або змащена — зменшує.

Формула сили тертя

Силу тертя можна обчислити за формулою:

Fₜ = μN, де:

Fₜ — сила тертя;

μ (мю) — коефіцієнт тертя (показує, наскільки «шорсткі» поверхні);

N — сила нормальної реакції опори (сила, з якою поверхня тисне на тіло). Якщо тіло лежить на горизонтальній поверхні, то N дорівнює вазі тіла.

Приклад розрахунку:

Якщо тіло масою 2 кг лежить на столі, а коефіцієнт тертя дорівнює 0.3, то:

N ≈ 2 кг × 9,8 ≈ 19,6 Н

Fₜ = 0,3 × 19,6 ≈ 5,9 Н

Приклади, коли сила тертя є корисною

Сила тертя допомагає нам у:

• ходьбі (без тертя ми б просто ковзали, як на льоду);

• гальмуванні транспорту (колеса зупиняються завдяки тертю);

• утриманні предметів у руках (речі не вислизають завдяки тертю);

• писанні ручкою чи олівцем (чорнило або графіт залишаються на папері саме через тертя).

Приклади, коли сила тертя є шкідливою

Водночас у техніці тертя часто є небажаним, адже воно сприяє:

• зношуванню деталей механізмів (частини машин стираються);

• нагріванню поверхонь (енергія втрачається у вигляді тепла);

• зменшенню швидкості руху (наприклад, автомобіль витрачає більше пального);

• скрипу дверей або механізмів (викликає неприємні звуки через тертя).

Види сили тертя

У фізиці розрізняють три основні види сили тертя: тертя ковзання, тертя спокою та тертя кочення. Вони відрізняються тим, як саме взаємодіють поверхні тіл.

Сила тертя ковзання

Сила тертя ковзання виникає тоді, коли одне тіло рухається по поверхні іншого, ковзаючи по ній.

Наприклад, коли книга ковзає по столу; санчата рухаються по снігу; коробку штовхають по підлозі.

Формула сили тертя ковзання

Сила тертя ковзання обчислюється за формулою:

Fₜ = μN, де:

μ — коефіцієнт тертя ковзання;

N — сила нормальної реакції опори.

Чому виникає сила тертя ковзання і як її можна зменшити?

Причини виникнення сили тертя ковзання ті самі, що й у тертя загалом:

• мікронерівності поверхонь, які «чіпляються» одна за одну;

• взаємне притягання молекул двох тіл.

Силу тертя ковзання можна зменшити, якщо:

• зробити поверхні гладкішими;

• використати мастило (олію, жир, спеціальні рідини);

• замінити ковзання на кочення (наприклад, використати колеса або ролики).

Від чого залежить і куди напрямлена сила тертя ковзання?

Сила тертя ковзання залежить від сили притиснення тіла до поверхні та матеріалу поверхонь (тобто коефіцієнта тертя).

Напрям сили тертя завжди протилежний напрямку руху тіла.

Наприклад, якщо коробка рухається вправо — сила тертя діє вліво.

Сила тертя спокою

Сила тертя спокою виникає тоді, коли тіло ще не рухається, але на нього вже діє сила, яка намагається зрушити його з місця.

Саме ця сила дозволяє нам стояти на місці або починати рух без ковзання.

Наприклад, коли людина стоїть на підлозі й не ковзає; шафа не рухається, поки її не почнуть сильно штовхати; автомобіль не ковзає одразу при старті.

Формула сили тертя спокою

Сила тертя спокою змінюється залежно від прикладеної сили, але має максимальне значення:

Fₜ ≤ μ₀N, де:

μ₀ — коефіцієнт тертя спокою;

N — сила нормальної реакції опори.

Коли прикладена сила перевищує це значення, тіло починає рухатися — і тертя спокою переходить у тертя ковзання.

Сила тертя кочення

Сила тертя кочення виникає тоді, коли тіло рухається по поверхні, обертаючись (тобто котиться).

Цей вид тертя значно менший, ніж тертя ковзання — саме тому колеса так широко використовують у техніці.

Наприклад, рух коліс велосипеда або автомобіля; котіння м’яча по підлозі; валик, який котять по поверхні.

Формула сили тертя кочення

Сила тертя кочення зазвичай обчислюється за формулою:

Fₜ = μₖN, де:

μₖ — коефіцієнт тертя кочення;

N — сила нормальної реакції опори.

Зазвичай коефіцієнт тертя кочення значно менший, ніж коефіцієнт ковзання, тому рух на колесах потребує менше зусиль.

Сила тертя в природі

Саме завдяки тертю в природі:

• тварини можуть рухатися по землі, не ковзаючи;

• каміння і пісок стираються, утворюючи ґрунт;

• гілки дерев не зісковзують одна з одної під час вітру;

• метеорити згорають в атмосфері через сильне тертя з повітрям;

• формується рельєф — річки, вітер і льодовики стирають поверхню Землі, змінюючи її вигляд протягом тисяч років.

Сила тертя в техніці

У техніці сила тертя може бути як корисною, так і шкідливою:

• гальмівні системи автомобілів працюють завдяки тертю;

• ремінні передачі в механізмах передають рух через силу тертя;

• зчеплення в автомобілі дозволяє плавно рушати.

• через тертя деталі машини зношуються;

• двигуни можуть перегріватися;

• втрачається енергія та зменшується ефективність механізмів.

Саме тому в техніці часто використовують мастила, підшипники та спеціальні матеріали, щоб зменшити тертя там, де воно небажане.

Сила тертя в житті людини

Завдяки тертю ми:

• можемо ходити й бігати, не ковзаючи;

• тримаємо предмети в руках;

• пишемо ручкою або олівцем;

• користуємося гальмами на велосипеді чи самокаті.

• натираємо шкіру або взуття;

• не можемо рухати надто важкі предмети.

Відповіді на найпоширеніші питання

Як позначається сила тертя?

Силу тертя зазвичай позначають літерою F із індексом t або f (Fₜ).

Що станеться, якщо між тілами зникне сила тертя?

Якщо між тілами зникне сила тертя, тіла почнуть вільно ковзати. Людина не зможе ходити, транспорт не зможе гальмувати, предмети випадатимуть із рук — звичне життя стане неможливим.

У якому випадку на автомобіль не діє сила тертя спокою?

На автомобіль не діє сила тертя спокою, коли колеса автомобіля ковзають по поверхні (наприклад, на льоду при різкому гальмуванні). У цьому випадку діє вже сила тертя ковзання, а не спокою.

Чи діє сила тертя на книжку, яка лежить на столі?

У звичайному стані — ні, тому що немає сили, яка намагається зрушити книгу. Але якщо почати її штовхати, виникне сила тертя спокою.

В якій ситуації на тіло діє сила тертя спокою?

На тіло діє сила тертя спокою тоді, коли тіло нерухоме, але на нього діє сила, яка намагається зрушити його з місця. Наприклад, коли людина починає штовхати шафу.

По якій з поверхонь сила тертя ковзання найбільша?

Сила тертя ковзання найбільша по шорстких і «чіпких» поверхнях, наприклад, по гумі або асфальту. А найменша — по гладких поверхнях, як-от лід або скло.

Що менше: сила тертя кочення чи ковзання?

Сила тертя кочення значно менша, ніж сила тертя ковзання.

При якому виді тертя тіл виникає найменша сила тертя?

Найменша сила тертя виникає при терті кочення.

Ретельніше розібрати та закріпити цю тему ви можете з онлайн-репетитором з фізики. А також індивідуальні заняття з викладачем будуть корисні для тих, хто потребує підготовки до НМТ з фізики.