§ 19. Сила трения. Учет трения в технике

Физика, 7 класс. Учебник: Кронгарт Б.А. и др. (Мектеп, 2025). Глава 5: Взаимодействие тел. Страницы 100–104.

Чему научишься

• Объяснять, что такое сила трения и когда она появляется.
• Различать трение покоя, скольжения и качения.
• Называть, от чего зависит сила трения скольжения, а от чего нет.
• Считать силу трения по формуле $F_{\text{тр}}=\mu N$.
• Приводить примеры полезного и вредного трения и объяснять, как его увеличивают или уменьшают.

Разминка

• Почему по асфальту идти легче, чем по льду? На льду мало «зацепления» между подошвой и поверхностью, нога проскальзывает.
• Что такое сила, которая направлена против движения? Это сила, которая тормозит тело. Сегодня познакомимся с одной из таких сил.
• Чем вес тела отличается от массы? Масса измеряется в килограммах, вес — сила, её измеряют в ньютонах. На горизонтальной опоре вес $P=mg$.

Разбираемся

Трение: сила, которую мы не замечаем

Почему ты можешь ходить? Почему ручка не вылетает из пальцев? Почему рыбу трудно удержать в руке? Во всех этих случаях работает одна и та же сила — сила трения.

📌 Сила трения — это сила, которая мешает движению тела или его возможному движению. Она всегда направлена против движения (или против того, куда тело «хотело бы» двигаться).

Опыт: тянем брусок

Положи на стол деревянный брусок и прицепи к нему динамометр. Начни тянуть за него, потихоньку увеличивая усилие. Сила на динамометре растёт, а брусок стоит как вкопанный. Значит, стол действует на брусок силой, равной нашей и направленной в обратную сторону. Это сила трения покоя.

Тянем дальше. В какой-то момент брусок срывается с места и едет равномерно. Раз скорость постоянная, то сила трения равна по модулю нашей силе тяги и направлена против неё. Это сила трения скольжения.

💡 Максимальная сила трения покоя равна силе трения скольжения. Это первый закон сухого трения.

Скольжение или качение?

Положи на стол два одинаковых цилиндра (карандаш подойдёт). Один тащи, другой кати. Катить намного легче. Сила трения качения гораздо меньше силы трения скольжения. Поэтому у машин колёса, а не полозья, а в подшипниках стоят шарики.

🌟 Именно поэтому на санях ехали по снегу, а по земле люди придумали колесо. Кочевники возили юрту на телегах с колёсами: колесо сильно экономит силы.

От чего зависит трение

Тянем брусок по столу, переворачивая его разными гранями. Площадь соприкосновения разная, а динамометр показывает одно и то же. Вывод: сила трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

А вот от этого зависит:

1. От материала и обработки поверхностей. Отшлифуем поверхности, они станут гладкими, и трение уменьшится. По стеклу брусок скользит легче, чем по дереву.
2. От силы, прижимающей тело к поверхности. Положим на брусок груз, и динамометр покажет больше. Чем сильнее прижимаем, тем больше трение.

⚠️ Частая ошибка. Думать, что широкий брусок тормозит сильнее узкого. Площадь не важна! Важны материал и сила, прижимающая тело к поверхности.

Сила нормального давления и формула

Сила, которая прижимает тело к поверхности перпендикулярно ей, называется силой нормального давления $N$. Когда тело лежит на горизонтальной поверхности, $N$ равна весу тела: $N=P=mg$.

Французские физики Амонтон и Кулон (XVII–XVIII века) изучили сухое трение и нашли три закона:

📌 Законы сухого трения.

1. Максимальная сила трения покоя равна силе трения скольжения.
2. Сила трения не зависит от площади соприкосновения.
3. Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормального давления: $F_{\text{тр}}=\mu N$ (закон Кулона — Амонтона).

Коэффициент $\mu$ показывает, насколько «цепкие» поверхности. Он зависит от материалов и от того, как они обработаны. Чем он больше, тем сильнее трение.

⚠️ Частая ошибка. Забыть перевести граммы в килограммы. Брусок массой 800 г — это $0{,}8\ \text{кг}$, и только потом $N=mg$. В этом уроке принимаем $g=10,\text{Н/кг}$.

Посмотри, как растёт сила трения для одного бруска, когда на него кладут грузы (пример с $\mu=0{,}3$):

Трение вредное и полезное

Трение не плохое и не хорошее. Всё зависит от ситуации.

Вредное. Детали механизмов нагреваются и изнашиваются. Тогда трение уменьшают: добавляют смазку (например, солидол), делают магнитную или воздушную подушку, ставят шариковые и роликовые подшипники, заменяя скольжение качением.

Полезное. Без трения никто не мог бы идти, а машины не могли бы разгоняться и тормозить. В гололёд тротуары посыпают песком, на обуви и шинах делают шипы или протектор. Тут трение, наоборот, увеличивают.

🌟 Есть ещё жидкое трение: оно возникает между слоями жидкости или газа и при движении тел в воде и воздухе. Оно гораздо меньше сухого. Изучал его Ньютон, а законы жидкого трения ты узнаешь позже.

👨‍👩‍👧 Родителю. Дома легко показать трение. Попросите ребёнка потянуть по столу пенал с книгой и без неё, а потом по гладкой бумаге. Он сам увидит, что тяжелее — труднее тянуть, а скользкая поверхность помогает.

Проверь, как понял

Проверь себя

• Какая сила называется силой трения? Сила, которая препятствует движению тела или возможному движению.
• Как возникает сила трения? Шероховатости соприкасающихся поверхностей цепляются друг за друга. Чем сильнее тело прижато к поверхности, тем сильнее зацепление.
• В чём различие между силой трения покоя и силой трения скольжения? Трение покоя действует, когда тело стоит на месте (оно равно силе, которая пытается сдвинуть тело). Трение скольжения действует, когда тело уже скользит по поверхности.
• Каковы итоги исследования трения Кулоном и Амонтоном? Три закона сухого трения: максимальная сила трения покоя равна силе трения скольжения; сила трения не зависит от площади; $F_{\text{тр}}=\mu N$.
• Когда возникает сила трения качения? Когда одно тело катится по поверхности другого (колесо по дороге, цилиндр по столу). Она намного меньше силы трения скольжения.
• От каких факторов зависит коэффициент трения? От материала соприкасающихся поверхностей и качества их обработки.
• Приведите примеры вредного и полезного проявления сил трения. Вредное: нагрев и износ деталей механизмов. Полезное: ходьба, торможение машины, удерживание предметов в руках, шипы и протектор в гололёд.
• Для чего смазывают трущиеся детали, например, солидолом? Смазка уменьшает трение между деталями, они меньше нагреваются и изнашиваются.

Решаем упражнения

Исследуйте

№ 1

«Исследуйте». ⭐ задача повышенной сложности: измерьте силу трения скольжения деревянного бруска с грузами а) по столу; б) по гладкой бумаге; в) по наждачной бумаге. Тяните брусок равномерно динамометром, результаты запишите. Ответьте: зависит ли сила трения от вида и шероховатости поверхностей; какими способами можно увеличить и уменьшить силу трения скольжения?

Молодец, что берёшься за повышенный уровень: это настоящее исследование.

Как думать. Тянуть надо равномерно: тогда показание динамометра равно силе трения. Условия опыта одинаковые, меняется только поверхность.

Решение.

1. Положи брусок с грузами на стол, привяжи динамометр и потяни ровно, без рывков. Запиши показание.
2. Повтори на гладкой бумаге, потом на наждачной. Каждое измерение сделай 2–3 раза и возьми среднее.
3. Пример результатов (у тебя числа могут быть другие):

Ответ: зависит: чем более шероховатая поверхность, тем больше сила трения (наждачная бумага больше, гладкая меньше). Увеличить трение можно, сделав поверхности шероховатее и прижав тело сильнее (положив груз). Уменьшить: отшлифовать, смазать, заменить скольжение качением.

Объясните

№ 2

«Объясните», задача 1. Для чего смазывают трущиеся детали, например, солидолом?

Как думать. Подумай, что происходит с деталями, которые трутся друг о друга.

Пример ответа. Между деталями возникает трение скольжения. Из-за него они нагреваются и изнашиваются. Смазка заполняет шероховатости и разделяет поверхности, поэтому трение уменьшается.

Ответ: смазка уменьшает трение, нагрев и износ деталей.

№ 3

«Объясните», задача 2. Почему трудно удержать пойманную рыбу в руке?

Как думать. Чем скользкая поверхность отличается от шершавой?

Пример ответа. Кожа рыбы покрыта слизью и очень гладкая, поэтому коэффициент трения между рукой и рыбой маленький. Сила трения покоя, которая удерживает рыбу, тоже маленькая. Мокрая рука делает поверхность ещё более скользкой.

Ответ: у рыбы очень маленький коэффициент трения (слизь, гладкая и мокрая поверхность), поэтому трения покоя не хватает, чтобы её удержать.

Анализируйте

№ 4

«Анализируйте», задача 1. Как изменится сила трения, если: а) увеличить площадь соприкосновения двух тел; б) нагревать тела; в) отшлифовать соприкасающиеся поверхности?

Как думать. Вспомни три закона сухого трения и от чего зависит $\mu$.

Пример ответа. а) Не изменится: сила трения не зависит от площади соприкосновения. б) Простой ответ для сухого трения: заметно не изменится. На практике нагрев может менять свойства поверхностей (например, резина становится мягче, смола или лёд плавятся), и тогда трение изменится, но это уже тонкости. в) Уменьшится: шероховатость становится меньше, коэффициент $\mu$ падает.

Ответ: а) не изменится; б) в рамках школьных законов почти не изменится (на практике зависит от материала); в) уменьшится.

Решите

№ 5

«Решите», задача 1. Тележка с грузом движется по горизонтальному столу. Какой вид трения возникает между: а) столом и колёсами; б) грузом и поверхностью тележки?

Как думать. Колёса катятся по столу. А груз лежит на тележке и едет вместе с ней, не скользя.

Решение. а) Колёса катятся по столу, значит, возникает трение качения. б) Груз неподвижен относительно тележки, но она тянет его за собой (разгоняется или тормозит). Груз «хочет» остаться на месте или сползти, и его удерживает трение покоя.

Ответ: а) трение качения; б) трение покоя.

№ 6

«Решите», задача 2. При равномерном перемещении ящика по полу к нему приложена сила 4 Н. Чему равна сила сопротивления движению ящика?

Как думать. Равномерное движение значит, что равнодействующая сил равна нулю: сила тяги и сила трения равны.

Решение. $F_{\text{тр}}=F=4,\text{Н}$.

Ответ: 4 Н.

№ 7

«Решите», задача 3. Почему санки легче тянуть по снегу, чем по земле?

Как думать. Сравни коэффициенты трения: полозья по снегу и по земле.

Пример ответа. Снег гладкий и скользкий, особенно под полозьями: он слегка уплотняется и немного подтаивает. Коэффициент трения по снегу маленький. Земля шероховатая, у полозьев по ней коэффициент трения гораздо больше. Сила трения $F_{\text{тр}}=\mu N$ по земле больше, значит, тянуть тяжелее.

Ответ: по снегу коэффициент трения меньше, чем по земле, поэтому и сила трения меньше.

№ 8

«Решите», задача 4. Чему равен коэффициент трения бруска массой 800 г о поверхность, если для выведения его из состояния покоя требуется сила 2 Н?

Как думать. Чтобы сдвинуть брусок, надо преодолеть максимальную силу трения покоя. Она равна силе трения скольжения: $F_{\text{тр}}=\mu N$.

Решение.

Дано: $m=800,\text{г}$, $F=2,\text{Н}$. СИ: $m=0{,}8,\text{кг}$. Найти: $\mu$.

1. $N=mg=0{,}8\cdot10=8,\text{Н}$.
2. $\mu=\dfrac{F_{\text{тр}}}{N}=\dfrac{2,\text{Н}}{8,\text{Н}}=0{,}25$.

Ответ: $\mu=0{,}25$ (совпало с ответом под задачей).

№ 9

«Решите», задача 5. Каков коэффициент трения между копытами ослика и дорогой, если динамометр показывает 200 Н (рис. 19.6), а масса ослика 32 кг?

Как думать. На рисунке динамометр тянет ослика, движение равномерное, значит, показание динамометра равно силе трения.

Решение.

Дано: $F_{\text{тр}}=200,\text{Н}$, $m=32,\text{кг}$. Найти: $\mu$.

1. $N=mg=32\cdot10=320,\text{Н}$.
2. $\mu=\dfrac{200}{320}=0{,}625$.

Ответ: $\mu=0{,}625$ (совпало).

№ 10

«Решите», задача 6. ⭐ задача повышенной сложности. Какова жёсткость пружины динамометра, прикреплённой к деревянному бруску массой 300 г, если при равномерном движении бруска по горизонтальной поверхности пружина растянулась на 2 см? Коэффициент трения бруска о поверхность равен 0,3.

Это задача на два закона сразу. Попробовать её уже достижение.

Как думать. Пружина тянет брусок силой упругости. При равномерном движении она равна силе трения. Силу трения находим по закону Кулона — Амонтона, а жёсткость — по закону Гука.

Решение. См. шаги выше.

Ответ: $k=45,\text{Н/м}$ (совпало).

№ 11

«Решите», задача 7. Задание выполняется через QR-код (его содержимое в бумажной копии недоступно).

Как думать. В учебнике здесь только отсылка к QR-коду, самого задания на странице нет. Чтобы не терять тему, потренируйся на похожей задаче ниже.

Решение. Задача для самопроверки: брусок массой 500 г движется по столу, $\mu=0{,}2$. Найди силу трения. $N=0{,}5\cdot10=5,\text{Н}$, $F_{\text{тр}}=0{,}2\cdot5=1,\text{Н}$.

Ответ: условие задания в QR-коде; для самопроверки $F_{\text{тр}}=1,\text{Н}$.

Шпаргалка

• На горизонтальной поверхности $N=mg$, массу переводи в кг.
• Трение качения намного меньше трения скольжения.
• Трение покоя равно силе, которая пытается сдвинуть тело, но не больше максимума.
• Трение бывает и вредным, и полезным.

Мини-тест