Анализируйте, страница 67, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

Анализируйте

Как изменится сила трения, если: а) увеличить площадь соприкосновения двух тел; б) нагреть тела; в) отшлифовать соприкасающиеся поверхности?

а) увеличить площадь соприкосновения двух тел

Согласно закону Амонтона-Кулона, который является основной моделью для описания сухого трения, сила трения скольжения не зависит от номинальной площади соприкосновения тел. Сила трения определяется формулой:

$F_{тр} = \mu \cdot N$

где $\mu$ — это коэффициент трения, который зависит от материалов соприкасающихся поверхностей и качества их обработки, а $\text{N}$ — сила нормальной реакции опоры (которая равна силе, прижимающей тела друг к другу).

Как видно из формулы, площадь контакта $\text{S}$ в ней отсутствует. Интуитивно это можно объяснить так: хотя при увеличении площади соприкосновения нагрузка распределяется на большее количество микронеровностей, давление $p = N/S$ на каждую точку контакта уменьшается. Эти два эффекта компенсируют друг друга, в результате чего суммарная сила трения, зависящая от реальной площади контакта (которая пропорциональна силе $\text{N}$), остается неизменной.

Ответ: В рамках стандартной физической модели сила трения не изменится.

б) нагреть тела

Нагрев тел влияет на их физические свойства, а следовательно, и на коэффициент трения $\mu$. Направление этого изменения зависит от материалов и температуры.

1. Чаще всего, для твердых тел (особенно металлов) нагрев приводит к увеличению пластичности материала. Микронеровности на поверхности становятся более податливыми, что увеличивает реальную площадь контакта и усиливает адгезионное взаимодействие (слипание) между поверхностями. В этом случае сила трения увеличится.

2. Для некоторых материалов нагрев может вызвать химические изменения на поверхности (например, образование оксидной пленки) или выделение смазывающих компонентов, что может привести к уменьшению трения.

3. При достижении температуры плавления одного из тел сухое трение сменяется жидким (вязким), что обычно ведет к значительному уменьшению силы трения.

Таким образом, эффект зависит от множества факторов, но в общем случае для твердых тел при умеренном нагреве можно ожидать увеличения силы трения.

Ответ: Сила трения, как правило, изменяется. Для большинства твердых тел при умеренном нагреве она увеличится из-за размягчения материалов и усиления адгезии.

в) отшлифовать соприкасающиеся поверхности

Эффект от шлифовки поверхностей на силу трения является немонотонным.

1. Если изначально поверхности были грубыми, то шлифовка сглаживает крупные неровности. Это уменьшает механическое зацепление и "вспахивание" одной поверхности другой. В результате сила трения уменьшается. Этот эффект соответствует нашему бытовому опыту: по гладкому полу предмет толкать легче, чем по шероховатому.

2. Однако если продолжить шлифовку и сделать поверхности чрезвычайно гладкими (зеркальными, близкими к идеальным), то сила трения может снова начать увеличиваться, причем очень сильно. Это происходит потому, что на сверхгладких поверхностях молекулы двух тел могут сблизиться на очень малые расстояния. При этом начинают доминировать силы межмолекулярного притяжения (адгезии). Реальная площадь контакта приближается к номинальной, и сила трения резко возрастает. В идеальных условиях (например, в вакууме) это может привести к эффекту холодной сварки, когда два тела самопроизвольно сцепляются.

Ответ: При шлифовке грубых поверхностей до умеренной гладкости сила трения уменьшится. Однако при дальнейшей полировке до очень высокой (зеркальной) гладкости сила трения начнет расти из-за усиления межмолекулярного взаимодействия.