Часто возникает вопрос: зависит ли сила трения между телами от площади соприкосновения тел?

 

Зависимость силы трения от силы давления была установлена экспериментальным путем. Первая формулировка закона трения принадлежит Леонардо да Винчи, который утверждал, что сила трения пропорциональна силе прижатия, направлена против движения и не зависит от площади контакта. Через 180 лет этот закон был переоткрыт Г. Амонтоном и Ш.Кулоном. Кулон экспериментально установил, что коэффициент трения скольжения также зависит от относительной скорости движения поверхностей, продолжительности неподвижного контакта поверхностей и от удельного давления одного тела на другое. Оказалось, что коэффициент трения понижается с уменьшением площади касания. Однако это понижение незначительно. Закон для силы трения F = mN в силу своей простоты стал общепринят, хотя уже в XIX веке стало ясно, что он не дает правильного описания силы трения.

В конце XIX века Рейнольдс создал первую теорию смазки. При наличии достаточно толстого слоя смазки сила трения определяется только гидродинамическими свойствами смазочного слоя и с ростом скорости сила трения должна возрастать. Если слой смазки недостаточен, то к силе вязкого трения прибавится «сухое» трение, описанное Кулоном.

В 1902 году Штрибек опубликовал данные о том, что в отсутствии смазки сила сопротивления не падает сразу с уровня максимальной силы трения покоя до силы трения скольжения, а возникает постепенное падение силы с ростом скорости (эффект Штрибека).

Современная модель возникновения сил трения выглядит следующим образом. Граница соприкосновения двух поверхностей в микроскопических масштабах испещрена неровностями. Трение обусловлено не зацеплением выпуклостей друг о друга (если бы это было так, то сила трения обязана была бы зависеть от площади соприкосновения, а этого не наблюдается в эксперименте), а взаимодействием тел в точках соприкосновения на молекулярном уровне. (Подтверждением этому является наличие больших сил трения между тщательно отполированными поверхностями). Один из авторов теории трения Ф. Боуден говорил, что «наложение двух твердых тел одного на другое подобно наложению швейцарских Альп на перевернутые австрийские Альпы - площадь контакта оказывается очень малой», именно поэтому сила трения не зависит от площади поверхности. Но если поверхности начинать сдавливать, то «горные пики» начнут деформироваться и подлинная площадь контакта увеличится пропорционально приложенной нагрузке. Сопротивление относительному сдвигу этих контактных зон и является основным источником трения движения. При наличии сдвигающей силы один «пик» начнет прогибать второй «пик», как бы пытаясь сгладить дорогу, а потом уже скользить по ней. При этом надо учитывать, что имеющиеся пылинки и разрушающаяся поверхностная пленка будут играть роль смазки, усложняя явление. Таким образом, при наложении горизонтальной смещающей силы можно выделить 4 основных режима движения:

– режим упругих микросмещений,

– режим скольжения по площадкам контактов поверхностного слоя,

– при увеличении скорости смазка создает подъемную силу, нарушающую большую часть прямых контактов, снижая тем самым силу трения,

– с увеличением скорости вязкое сопротивление возрастает и сила трения должна увеличиться.

Этим качественным представлениям соответствует график зависимости силы трения от скорости. При этом надо заметить, что если смазка не вводится искусственно, то увеличения силы трения с ростом скорости почти незаметно и закон Кулона для силы трения скольжения выполняется за исключением малых скоростей при переходе от трения покоя к трению скольжения.

Источники:

И. В. Крагельский, В. С. Щедров «Развитие науки о трении», М., 1956,

Е. А. Бутиков, А. С. Кондратьев «Физика», книга 1, М., 1994, параграф 21,

А.А.Первозванский «Трение - сила знакомая, но таинственная», «Соросовский образовательный журнал» №2, 1998, стр.129.