§ 64. Силы трения.

Мы уже говорили (§ 34), что при непосредственном соприкосновении тел помимо сил упругости могут возникать силы и другого типа, так называемые силы трения. Наиболее характерная черта сил трения та, что они препятствуют движению каждого из соприкасающихся тел относительно другого или препятствуют самому возникновению этого движения.

Особенности сил трения покажем на следующих опытах. Возьмем деревянное круглое тело с приделанными к нему сбоку крючками (рис. 89) и положим его на горизонтальный стол. Тело будет давить на стол с силой нормального давления . Зацепив за крючок кольцо динамометра, расположим динамометр горизонтально и потянем его, как показано на рисунке. Пока сила, действующая со стороны динамометра, достаточно мала, тело остается в покое. Значит, кроме силы , действующей со стороны динамометра, на тело действует еще какая-то сила , уравновешивающая первую. Это и есть сила трения; она действует со стороны стола на тело и приложена к поверхности их соприкосновения.

Рис. 89. Силы трения  при различных направлениях силы , приложенной со стороны динамометра

Так как эта сила возникает, когда тело еще не скользит по столу, то она называется силой трения покоя. Мы можем немного увеличить силу  — тело все же останется в покое. Это значит, что вместе с силой  увеличивается и сила трения покоя , все время оставаясь равной приложенной силе. Сила трения покоя  никогда не может быть больше приложенной силы: действительно, под действием силы  движение тела в направлении, противоположном силе , никогда не возникает. Но если мы еще увеличим силу , то в конце концов тело получит ускорение и начнет скользить по столу в направлении этой силы. Значит, сила трения покоя оказалась меньше приложенной силы — сила трения покоя может увеличиваться только до некоторого определенного предела. Этот предел — наибольшую силу трения покоя — мы определим по показаниям динамометра непосредственно перед моментом, когда только-только начнется скольжение.

Зацепив динамометр за другой крючок, мы можем изменить направление силы  (рис. 89); но и тогда, пока она не превосходит указанного выше предела, тело не придет в движение. Значит, одновременно с изменением направления силы  изменяется и направление силы трения покоя . Таким образом, и модуль и направление силы трения покоя определяются модулем и направлением той внешней силы, которую она уравновешивает: сила трения покоя равна по модулю и противоположна по направлению той внешней силе, которая стремится вызвать скольжение одного тела по другому. Иначе говоря, сила трения покоя действует на тело навстречу тому направлению, в котором возникло бы скольжение, если бы сила трения покоя отсутствовала.

Обычно, когда говорят о силе трения покоя, имеют в виду наибольшее значение этой силы. Посмотрим, как зависит это наибольшее значение от силы, с которой соприкасающиеся тела давят друг на друга. Будем нагружать тело гирями различных масс и повторять определение наибольшей силы трения покоя. Мы увидим, что при изменении силы , с которой тело давит на стол (теперь эта сила будет равна по модулю сумме сил тяжести, действующих на брусок и гири), сила трения покоя изменяется примерно пропорционально силе , так что приближенно

              (64.1)

где  — постоянная величина. Эту величину, равную отношению силы трения между данными поверхностями к силе, с которой тела прижимаются друг к другу, называют коэффициентом трения покоя:

          (64.2)

Для разных материалов коэффициенты трения различны. Из определения видно, что коэффициент трения не зависит от выбора системы единиц.

На практике коэффициент трения для данных материалов определяют по формуле (64.2), измеряя отдельно силу трения и силу нормального давления тел друг на друга. Так как коэффициенты трения покоя зависят от вещества обоих тел, то их приходится определять для каждой из различных пар материалов (трение железа по дереву, железа по железу и т. п.). Коэффициент трения не является строго постоянной величиной для данной пары веществ и зависит от свойств поверхностей. Гладкая обработка поверхностей сильно уменьшает коэффициент трения.

Увеличим теперь силу  как раз настолько, чтобы тело начало скользить, и после того, как оно начало двигаться, подберем внешнюю силу так, чтобы тело скользило по поверхности стола равномерно. Это будет значить, что возникающая при скольжении сила трения (сила трения скольжения) равна приложенной силе. Измеряя приложенную силу, поддерживающую равномерное скольжение тела по поверхности, мы увидим, что она обычно бывает меньше силы, требуемой для того, чтобы сдвинуть тело с места: сила трения скольжения может быть меньше, чем сила трения покоя.

По аналогии с коэффициентом трения покоя вводится коэффициент трения скольжения, который определяется по той же формуле (64.2), где под  подразумевается сила трения скольжения.

Легко убедиться на опыте, что сила трения скольжения также зависит от рода трущихся поверхностей и, так же как и сила трения покоя, увеличивается при увеличении силы нормального давления тел друг на друга. При увеличении скорости, но неизменной силе нормального давления сила трения скольжения обычно не остается постоянной. Это значит, что коэффициент трения скольжения зависит и от скорости скольжения одного трущегося тела относительно другого. Для многих задач, однако, можно пользоваться некоторым средним значением коэффициента трения скольжения. При весьма малых скоростях его можно считать равным коэффициенту трения покоя.

Даже при большой силе, прижимающей трущиеся тела друг к другу, они всегда соприкасаются не по всей поверхности, а только на отдельных участках. Это объясняется микроскопическими неровностями поверхности тела, остающимися даже при тщательной обработке поверхности. Поэтому силы трения действуют только между этими отдельными участками. Между соприкасающимися участками возникают силы сцепления, которые при скольжении тел направлены в сторону, обратную скольжению. Для уменьшения сил трения скольжения применяется смазка. Смазка состоит в том, что между двумя соприкасающимися твердыми поверхностями вводится слой жидкого масла, изменяющий условия соприкосновения и уменьшающий трение.