В действительности абсолютно гладких поверхностей не бывает. Все поверхности тел в той или иной степени шероховаты. Поэтому сила реакции шероховатой поверхности при равновесии тела зависит от активных сил не только по числовой величине, но и по направлению.

Разложим силу реакции шероховатой поверхности на составляющие: одну из которых направим по общей нормали к поверхности соприкосновения, а другую направим в касательной плоскости к этим поверхностям.

Силой трения скольжения (или просто силой трения) называется составляющая силы реакции связи, которая лежит в касательной плоскости к поверхностям соприкасающихся тел.

Силой нормальной реакцией связи называется составляющая силы реакции связи, которая направлена по общей нормали к поверхностям соприкасающихся тел.

Природа силы трения очень сложная и Мы ее не касаемся. В теоретической механике предполагается, что между поверхностями соприкасающихся тел нет смазывающего вещества.

Сухим трением называется трение, когда между поверхностями соприкасающихся тел нет смазывающего вещества.

Будем рассматривать два случая: трения при покое или равновесии тела и трение скольжения при движении одного тела по поверхности другого с некоторой относительной скоростью.

При покое сила трения зависит только от активных сил. При выбранном направлении касательной в точке соприкосновения поверхностей тел сила трения вычисляется по формуле:

Аналогично при выбранном направлении нормали нормальная реакция выражается через заданные силы:

При движении одного тела по поверхности другого сила трения является постоянной величиной.

В инженерных расчетах обычно исходят из ряда установленных опытным путем закономерностей, которые с достаточной для практики точностью отражают основные особенности явления сухого трения. Эти закономерности называются законами трения скольжения или законами Кулона.

Законы Кулона

1. Сила трения скольжения находится в общей касательной плоскости соприкасающихся поверхностей тел и направлена в сторону, противоположную направлению возможного скольжения тела под действием активных сил. Сила трения зависит от активных сил, и её модуль заключён между нулём и максимальным значением, которое достигается в момент выхода тела из положения равновесия, то есть:

Называется предельной силой трения .

2. Предельная сила трения скольжения при прочих равных условиях не зависит от площади соприкосновения трущихся поверхностей. Из этого закона следует, что для того чтобы сдвинуть, например кирпич, надо приложить одну и туже, силу, независимо, от того, какой гранью он положен на поверхность, широкой или узкой.

3. Предельная сила трения скольжения пропорциональна нормальной реакции (нормальному давлению), то есть

где безразмерный коэффициент называют коэффициентом трения скольжения; он не зависит от нормальной реакции.

4. Коэффициент трения скольжения зависит от материала и физического состояния трущихся поверхностей, то есть от величины и характера шероховатости, влажности, температуры и других условий. Коэффициент трения устанавливается экспериментально.

Считается, что коэффициент трения не зависит от скорости движения.

Угол трения. Условия равновесия.

Многие задачи на равновесие тела на шероховатой поверхности, т.е. при наличии трения, удобно решать геометрически. Для этого введем понятие угла и конуса трения.

Реакция реальной (шероховатой) связи слагается из двух составляющих: нормальной реакции и перпендикулярной ей силы трения . Следовательно, реакция связи отклоняется от нормали к поверхности на некоторый угол. При изменении силы трения от нуля до максимальной, сила реакции меняется от нуля до , а ее угол с нормалью растет от нуля до некоторого предельного значения j .

Углом трения называется наибольший угол между предельной силой реакции шероховатой связи и нормальной реакцией .

Угол трения зависит от коэффициента трения.

Конусом трения называют конус, описанный предельной силой реакции шероховатой связи вокруг направления нормальной реакции.

Пример.

Если к телу, лежащему на шероховатой поверхности, приложить силу Р, образующую угол с нормалью, то тело сдвинется только тогда, когда сдвигающее усилие  будет больше предельной силы трения  (если пренебречь весом тела, то но неравенство

Выполняется только при , т.е. при ,

Следовательно, ни какой силой, образующей с нормалью угол , меньший угла трения  тело вдоль данной поверхности сдвинуть нельзя.

Для равновесия твёрдого тела на шероховатой поверхности необходимо и достаточно, чтобы линия действия равнодействующей активных сил, действующих на твёрдое тело, проходила внутри конуса трения или по его образующей через его вершину.

Тело нельзя вывести из равновесия любой по модулю активной силой, если её линия действия проходит внутри конуса трения.

Пример.

Рассмотрим тело имеющее вертикальную плоскость симметрии. Сечение тела этой плоскости имеет форму прямоугольника. Ширина тела равна 2a.

К телу в точке С, лежащей на оси симметрии, приложена вертикальная сила и в точке А, лежащей на расстоянии h от основания, горизонтальная сила . Реакция плоскости основания (реакция связи) приводится к нормальной реакции и силе трения . Линия действия силы неизвестна. Расстояние от точки С до линии действия силы обозначим x. (). Составим три уравнения равновесия:

Согласно закону Кулона , т.е. . (1)

Так как , то (2)

Проанализируем полученные результаты:

Будем увеличивать силу .

1) Если , то равновесие будет иметь место до тех пор, пока сила трения не достигнет своей предельной величины, условие (1) превратится в равенство. Дальнейшее увеличение силы приведет к скольжению тела по поверхности.

2) Если , то равновесие будет иметь место до тех пор, пока сила трения не достигнет величины , условие (2) превратится в равенство. Величина x будет равна h. Дальнейшее увеличение силы приведет к тому, что тело станет опрокидываться вокруг точки B (скольжения не будет).

Трение качения

Трением качения называется сопротивление, возникающее при качении одного тела по поверхности другого.

Рассмотрим цилиндрический каток радиуса r на горизонтальной плоскости. Под катка и плоскости в месте их соприкосновения могут возникнуть реакции, препятствующие действием активных сил каток может катиться по плоскости. Из-за деформации поверхностей не только скольжению, но и качению.

Активные силы, действующие на катки в виде колес, обычно состоят из силы тяжести , горизонтальной силы , приложенной к центру катка, и пары сил с моментом , стремящейся катить колесо. Колесо в этом случае называется ведомо-ведущим . Если , а , то колесо называется ведомым. Если , а , то колесо называется ведущим .

Пусть тело веса Р движется под действием силы Т по шероховатой поверхности С одной стороны, поверхность не позволяет телу падать вниз под действием силы тяжести Р. С другой стороны, поверхность мешает свободному перемещению тела под действием силы Т. Таким образом, сила трения F так же, как и нормальная реакция, вызвана к жизни поверхностью, т. е. сила трения - это тоже реакция. Нормальная реакция и сила трения складываются в полную реакцию R, которая отклонена от нормали на угол ц. Этот угол называется углом трения. С помощью рис. легко вычислить, чему равен тангенс угла трения tgц=F/N=µN/N=µ, т. е. тангенс угла трения численно равен коэффициенту трения.

Теперь представьте себе, что вы вращаете полную реакцию вокруг нормали к поверхности. В этом случае сила R описывает конус, который называется конусом трения. Он интересен тем, что область, ограниченная конусом трения, определяет область равновесия для тела: если сила действует на тело внутри конуса трения, она не сдвинет тело, как бы велика ни была; если сила действует на тело вне конуса трения, она сдвигает тело, как бы мала ни была (рис. 19).

Рис. 19.

Давайте посмотрим, почему так происходит (Рис. 20).

Рис. 20.

Если сила Q действует внутри конуса трения, то сдвигающая сила Q 1 =Qsinб. Вычислим силу трения:

F=µN=µQcosб=Qcosбtgц.

Запас прочности F-Q 1 =Q(cosб tgц-sin б) = Qsin(ц-б)/cosц. Таким образом, запас прочности пропорционален Q, так как sin(ц-б)/cosц - постоянная величина. Чем больше сила Q, тем больше удерживающая сила F-Q 1 .

Уметь строить конус трения нужно вот почему.

Однажды в Мюнхене рухнул мост, и виноват в этом был не ураганный ветер, не полк идущих в ногу солдат, а... конус трения.

Этот мост одним своим концом был закреплен при помощи шарнира, а другим - положен на катки (рис. 21). Мост всегда крепят таким образом, чтобы он не покривился при колебаниях температуры. Шарнир был заполнен пастой, предохранявшей его от коррозии. В жаркий летний день паста растопилась, и вязкость ее стала меньше. Характер трения изменился - оно также уменьшилось. Конус трения сузился, и сила давления на опору вышла за пределы конуса.

Рис. 21.

Равновесие нарушилось, и мост рухнул. Инженерам часто приходится строить конус трения, чтобы определить, будет ли находиться в равновесии данная конструкция или нет. Но с конусом трения имеют дело не одни только инженеры. Каждый из нас ежедневно сталкивается с этим физическим явлением.

Чтобы пробраться к выходу в переполненном автобусе или троллейбусе, приходится извиваться ужом. Делаем мы это бессознательно, не задумываясь, что таким образом мы выходим из конусов трения в местах касания с другими пассажирами.

Катаемся ли мы на коньках, идем ли на работу, переворачиваем ли страницу в книге - всюду мы сталкиваемся с трением и, в частности, с конусом трения.

Реакция реальной шероховатой связи будет слагаться из двух составляющих: из нормальной реакции N и перпендикулярной к ней силы F. Следовательно, полная реакция R будет отклонена от нормали к поверхности на некоторый угол. При измерении силы трения от нуля до сила R будет меняться от N до , а её угол с нормалью будет расти от нуля до некоторого предельного значения . Наиюольший угол , который полная реакция шероховатой связи образует с нормалью к поверхности, называется углом трения. . Так как , то отсюда находим следующую связь между углом трения и коэффициентом трения . При равновесии полная реакция R, в зависимости от сдвигающих сил, может проходить где угодно внутри угла трения. Когда равновесие становится предельным, реакция будет отклонена от нормали на угол . Если ктелу, лежащему на шероховатой поверхности, приложить силу Р, образующую угол с нормалью, то тело сдвинется только тогда, когда сдвигающее усилие будет больше . Но неравенство > , в котором , выполняется только при т.е. при . Следовательно, никакой силой, образующей с нормалью угол , меньший угла трения , тело вдоль данной поверхности сдвинуть нельзя.

Трение качения. Коэффициент трения качения. Момент сил трения качения.с.102.

Трением качения называется сопративление, возникающее при качении одного тела по поверхности другого. - момент сил. Пока , каток находится в покое; при начинается качение. Входящая в формулу линейная величина k называется коэффициентом трения качения. Измеряют величину k обычно в сантиметрах. Значение коэффициента k зависит от материала тел и определяется опытным путём. Отношение для большинства материалов значительно меньше статического коэффициента трения . Трением качения называется сопротивление, возникающее при качении одного тела по поверхности другого. Представим себе колесо, стоящее на горизонтальной плоскости. Пусть P – вес колеса и его линия действия проходит через центр О колеса. Приложим в этой точке горизонтальную силу T . При действии сдвигающего усилия T в месте контакта катка и поверхностивозникает сила трения скольжения Fтр, препятствующая проскальзываниюкатка.Этидверавныепо модулюсилы T и Fтробразуют пару, которая стремится повернуть каток. Под действием силы P происходит деформация в месте контакта, и нормальнаяреакция N сдвигается всторонудействиясилы T на некоторое расстояние h. В результате силы Pи N образуют другую пару, препятствующую действию пары (T ,Fтр). Максимальную величину h = k, соответствующую предельному положению равновесия, называют коэффициентом трения качения. В отличие от безразмерного коэффициента трения скольжения f коэффициент трения качения k имеет размерность длины. Значение T , соответствующее случаю предельного равновесия, T=k/r. При T > Nk / r каток начнет катиться. Отметим, что трение качениявозникает только при перекатывании упругих тел. Если же соприкасающиеся тела абсолютно твердые, то деформации нет и Т = 0, то есть для качения абсолютно твердого катка по абсолютно твердой поверхности не по- требуется никакой силы. Обычно сила Т, определенная по уравнению, значительно меньше максимальной силы трения скольжения. Поэтому тела преодолевают трение качения значительно раньше, чем начнется скольжение. Благодаря малому сопротивлению движению подшипники качения и получили большое применение в технике. Скольжение возможно при Т > fN, а качение начинается приT > Nk / r . Таким образом,если f > k / r ,то скольжение не возможно; еслиf = k / r ,то происходит одновременно и качение, и скольжение; если жеf < k / r.– качение невозможно.При решении задач действие трения качения учитывается моментом сил сопротивления качению Мс. Его величина, как и величина силы трения скольжения, изменяется от нуля до предельного значения: 0 ≤ M c≤ M пред, где M пред= Nk . Своегопредельного значения момент сил сопротивления качению достигает в состоянии движения, то есть при перекатывании колеса.

УГОЛ ТРЕНИЯ угол, образующийся при отклонении сил реакции двух тел от общей нормали к их поверхности контакта из-за наличия сил трения

(Болгарский язык; Български) - точке их соприкосновения

(Болгарский язык; Български) - ъгъл на триене

(Чешский язык; Čeština) - úhel tření

(Немецкий язык; Deutsch) - Reibungswinkel

(Венгерский язык; Magyar) - súrlódási szög

(Монгольский язык) - үрэлтийн өнцөг

(Польский язык; Polska) - kąt tarda

(Румынский язык; Român) - unghi de frecare

(Сербско-хорватский язык; Српски језик; Hrvatski jezik) - ugao trenja

(Испанский язык; Español) - ángulo de rozamiento

(Английский язык; English) - angle of friction

(Французский язык; Français) - angle de frottement

Строительный словарь .

Смотреть что такое "УГОЛ ТРЕНИЯ" в других словарях:

угол трения - Угол, образующийся при отклонении сил реакции двух тел от общей нормали к их поверхности контакта из за наличия сил трения [Терминологический словарь по строительству на 12 языках (ВНИИИС Госстроя СССР)] Тематики науки технические другие EN angle …

угол трения

угол трения - angle of friction Наибольший возможный угол, образованный реакцией двух контактирующих тел и общей нормалью к их поверхностям в точке контакта. Шифр IFToMM: 3.5.51 Раздел: ДИНАМИКА МЕХАНИЗМОВ … Теория механизмов и машин

угол трения покоя - Угол отклонения от нормали равнодействующей силы, полученной графическим суммированием сил трения покоя. Тематики машиностроение в целом … Справочник технического переводчика

угол трения на границе раздела грунт-конструкция - d — [Англо русский словарь по проектированию строительных конструкций. МНТКС, Москва, 2011] Тематики строительные конструкции Синонимы d EN structure ground interface friction angle … Справочник технического переводчика

приведённый угол трения - Угол трения при контакте деталей с наклонными поверхностями, равный арксинусу приведённого коэффициента трения. Тематики машиностроение в целом … Справочник технического переводчика

предельный угол трения - trinties kampas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. angle of friction; angle of repose; limiting angle; limiting angle of friction vok. Gleitwinkel, m; Grenzwinkel, m; Grenzwinkel der Reibung, m; Reibungswinkel, m rus. предельный угол, m; … Fizikos terminų žodynas

Угол внутреннего трения - параметр прямой зависимости сопротивления грунта срезу от вертикального давления, определяемый как угол наклона этой прямой к оси абсцисс. Источник: ГОСТ 30416 96: Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения оригинал документа … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Угол естественного откоса угол, образованный свободной поверхностью рыхлой горной массы или иного сыпучего материала с горизонтальной плоскостью. Иногда может быть использован термин «угол внутреннего трения». Частицы мате … Википедия

Угол естественного откоса Угол естественного откоса угол, образованный свободной поверхностью рыхлой горной массы или иного сыпучего материала с горизонтальной плоскостью. Иногда может быть использован термин «угол внутреннего трения». Частицы… … Википедия

Книги

Совершенствование методов определения прочностных свойств пород и их деформируемости при применении в проектах новых технологических процессов на карьерах и поддержания устойчивости выработок , Г. М. Еремин. Приведены основные положения существующих методов определения прочностных свойств пород. Указаны на некоторые недостатки этих методик, приведены способы их устранения. Показано, что главные…

Теоретическая механика (Статика)

Лекция 7

Краткое содержание: Трение скольжения. Законы Кулона. Угол и конус трения. Условия равновесия. Трение качения.

ТРЕНИЕ

Трение скольжения

Опыт показывает, что при стремлении двигать одно тело по поверхности другого в плоскости соприкосновения тел возникает сила сопротивления их относительному скольжению. Эту силу, называют силой трения скольжения.

Если твёрдое тело находится на абсолютно гладкой поверхности другого тела в равновесии, то реакция связи направлена по нормали к поверхности.

Аналогично при выбранном направлении нормали нормальная реакция выражается через заданные силы:

При движении одного тела по поверхности другого сила трения является постоянной величиной.

Законы Кулона

Сила трения скольжения находится в общей касательной плоскости соприкасающихся поверхностей тел и направлена в сторону, противоположную направлению возможного скольжения тела под действием активных сил. Сила трения зависит от активных сил, и её модуль заключён между нулём и максимальным значением, которое достигается в момент выхода тела из положения равновесия, то есть:

- называется предельной силой трения .

Предельная сила трения скольжения при прочих равных условиях не зависит от площади соприкосновения трущихся поверхностей. Из этого закона следует, что для того чтобы сдвинуть, например кирпич, надо приложить одну и туже, силу, независимо, от того, какой гранью он положен на поверхность, широкой или узкой.

Предельная сила трения скольжения пропорциональна нормальной реакции (нормальному давлению), то есть

Коэффициент трения скольжения зависит от материала и физического состояния трущихся поверхностей, то есть от величины и характера шероховатости, влажности, температуры и других условий. Коэффициент трения устанавливается экспериментально.

Считается, что коэффициент трения не зависит от скорости движения.

Угол трения. Условия равновесия.

Реакция реальной (шероховатой) связи слагается из двух составляющих: нормальной реакции и перпендикулярной ей силы трения . Следовательно, реакция связи отклоняется от нормали к поверхности на некоторый угол. При изменении силы трения от нуля до максимальной, сила реакции меняется от нуля до
, а ее угол с нормалью растет от нуля до некоторого предельного значения  .

; ;.

Угол трения зависит от коэффициента трения.

Конусом трения называют конус, описанный предельной силой реакции шероховатой связи
вокруг направления нормальной реакции.

Пример.

Если к телу, лежащему на шероховатой поверхности, приложить силу Р, образующую угол с нормалью, то тело сдвинется только тогда, когда сдвигающее усилие
 будет больше предельной силы трения
 (если пренебречь весом тела, то
но неравенство

Выполняется только при
, т.е. при
,

Пример.

К телу в точке С, лежащей на оси симметрии, приложена вертикальная сила и в точке А, лежащей на расстоянии h от основания, горизонтальная сила . Реакция плоскости основания (реакция связи) приводится к нормальной реакции и силе трения . Линия действия силы неизвестна. Расстояние от точки С до линии действия силы обозначим x. (
). Составим три уравнения равновесия:

Согласно закону Кулона
, т.е.
. (1)

Так как
, то
(2)

Проанализируем полученные результаты:

Будем увеличивать силу .

Трение качения

Трением качения называется сопротивление, возникающее при качении одного тела по поверхности другого.

Активные силы, действующие на катки в виде колес, обычно состоят из силы тяжести , горизонтальной силы , приложенной к центру катка, и пары сил с моментом , стремящейся катить колесо. Колесо в этом случае называется ведомо-ведущим . Если
, а
, то колесо называется ведомым. Если
, а
, то колесо называется ведущим .

Соприкосновение катка с неподвижной плоскостью из-за деформации катка и плоскости происходит не в точке, а по некоторой линии BD. По этой линии на каток действуют распределенные силы реакции. Если привести силы реакции к точке А, то в этой точке получим главный вектор этих распределенных сил с составляющими (нормальная реакция) и (сила трения скольжения), а также пару сил с моментом
.

Р
ассмотрим равновение катка. Система сил – плоская. Запишем уравнения равновесия системы сил.

(M A )

Момент
называется моментом трения качения. Наибольшее значение М достигается в момент начала качения катка по плоскости.

Установлены следующие приближенные законы для наибольшего момента пары сил, препятствующих качению.

1. Наибольший момент пары сил, препятствующих качению, в довольно широких пределах не зависит от радиуса катка.

2. Предельное значение момента
пропорционально нормальной реакции
.

Коэффициент пропорциональности k называют коэффициентом трения качения при покое. Размерность k - это размерность длины.

3. Коэффициент трения качения k зависит от материала катка, плоскости и физического состояния их поверхностей. Коэффициент трения качения при качении в первом приближении можно считать не зависящим от угловой скорости качения катка и его скорости скольжения по плоскости.

Для вагонного колеса по рельсу
мм.