Статическое трение - это сила, которая должна бытьпревосходитьдля того, чтобы что-то начать. Например, кто-то может толкнуть неподвижный объект, например, тяжелую кушетку, не двигаясь. Но если они будут настойчивее или заручиться помощью сильного друга, он преодолеет силу трения и двинется с места.
Пока диван неподвижен,сила статического трения уравновешивает приложенную силу толчка. Следовательно,сила статического трения увеличивается линейно, при этом приложенная сила действует в противоположном направлении, пока не достигнет максимального значения и объект не начнет двигаться. После этого объект больше не испытывает сопротивления от статического трения, а от кинетического трения.
Статическое трение обычно является большей силой трения, чем кинетическое трение - сложнее начать толкать диван по полу, чем поддерживать его в движении.
Коэффициент статического трения
Статическое трение возникает в результате молекулярного взаимодействия между объектом и поверхностью, на которой он находится. Таким образом, разные поверхности обеспечивают разное статическое трение.
Коэффициент трения, описывающий эту разницу статического трения для разных поверхностей, равенμs.Его можно найти в таблице, подобной той, что связана с этой статьей, или рассчитать экспериментально.
Уравнение статического трения
Где:
- Fs= сила статического трения в ньютонах (Н)
- μs = коэффициент статического трения (без единиц)
- FN = нормальная сила между поверхностями в ньютонах (Н)
Максимальное статическое трение достигается, когда неравенство становится равенством, и в этот момент начинает действовать другая сила трения, когда объект начинает двигаться. (Сила кинетического трения, или трения скольжения, имеет другой коэффициент, связанный с ней, называемый коэффициентом кинетического трения и обозначаемыйμk .)
Пример расчета со статическим трением
Ребенок пытается толкнуть 10-килограммовую резиновую коробку горизонтально по резиновому полу. Коэффициент статического трения 1,16. Какую максимальную силу может использовать ребенокбезкоробка вообще движется?
[вставьте диаграмму свободного тела, показывающую приложенные силы трения, силы тяжести и нормальные силы на неподвижном блоке]
Во-первых, обратите внимание, что чистая сила равна 0, и найдите нормальную силу, действующую на поверхность коробки. Поскольку ящик не движется, эта сила должна быть равна по величине гравитационной силе, действующей в противоположном направлении. Напомним, чтоFграмм = мггдеFграммсила тяжести,ммасса объекта играммускорение свободного падения на Земле.
Так:
F_N = F_g = 10 \ times 9,8 = 98 \ text {N}
Затем решите относительно Fs с уравнением выше:
F_s = \ mu_s \ times F_N = 1,16 \ times 98 = 113,68 \ text {N}
Это максимальная сила статического трения, которая будет препятствовать движению коробки. Следовательно, это также максимальная сила, которую ребенок может применить без движения коробки.
Обратите внимание: пока ребенок прилагает любую силуменьше максимального значения статического трения, коробка по-прежнему не двигается!
Статическое трение на наклонных плоскостях
Статическое трение не только противодействует приложенным силам. Он предотвращает скольжение предметов с холмов или других наклонных поверхностей, сопротивляясь силе тяжести.
Для угла применяется то же уравнение, но тригонометрия необходима для разделения векторов силы на их горизонтальные и вертикальные компоненты.
Рассмотрим книгу весом 2 кг, лежащую на наклонной плоскости под углом 20 градусов. Чтобы книга оставалась неподвижной,силы, параллельные наклонной плоскости, должны быть уравновешены. Как видно из диаграммы, сила статического трения параллельна плоскости в направлении вверх; противодействующая сила, направленная вниз, вызвана силой тяжести - в данном случаетолько горизонтальная составляющая гравитационной силыуравновешивает статическое трение.
Нарисовав прямоугольный треугольник от силы тяжести, чтобы разрешить его компоненты, и выполнив немного геометрии, чтобы найти, что угол в этом треугольнике равен углу наклона плоскости, вгоризонтальная составляющая гравитационной силы(компонент, параллельный плоскости) тогда:
F_ {g, x} = mg \ sin {\ theta} = 2 \ times 9,8 \ times \ sin {20} = 6,7 \ text {N}
Она должна быть равна силе статического трения, удерживающей книгу на месте.
Еще одно значение, которое можно найти в этом анализе, - это коэффициент статического трения. Нормальная силаперпендикулярк поверхности, на которой лежит книга. Так что эта сила должна бытьсбалансирован с вертикальной составляющейсилы тяжести:
F_ {g, y} = mg \ cos {\ theta} = 2 \ times 9,8 \ times \ cos {20} = 18,4 \ text {N}
Затем переписываем уравнение статического трения:
\ mu_s = \ frac {F_s} {F_N} = \ frac {6.7} {18.4} = 0,364