Анализируйте, страница 103 - гдз по физике 7 класс учебник Кронгарт, Даданбеков

Анализируйте

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

а) Сила сухого трения скольжения в первом приближении описывается законом Амонтона-Кулона: $F_{тр} = \mu N$, где $\mu$ — коэффициент трения, а $N$ — сила нормальной реакции опоры. В этой модели сила трения не зависит от площади соприкосновения тел.

Это объясняется тем, что при увеличении площади соприкосновения (например, если положить кирпич на широкую грань вместо узкой), вес тела распределяется на большую площадь. В результате давление на поверхность уменьшается. Фактическая (реальная) площадь контакта, которая представляет собой сумму площадок микроскопических выступов (неровностей), непосредственно соприкасающихся друг с другом, остается практически неизменной и пропорциональной силе нормального давления $N$. Так как реальная площадь контакта не меняется, то и сила трения, зависящая от взаимодействия на этих микроконтактах, также не изменяется.

Таким образом, в рамках стандартной физической модели, увеличение площади соприкосновения не приведет к изменению силы трения.

Ответ: Сила трения не изменится.

б) Нагревание тел, как правило, приводит к изменению силы трения, поскольку физические свойства материалов зависят от температуры. Изменение может быть сложным и непредсказуемым без знания конкретных материалов и условий:

1. Изменение коэффициента трения. Коэффициент трения $\mu$ не является строгой константой, он зависит от температуры. Для большинства металлов при умеренном нагреве он может незначительно уменьшаться, а при высоких температурах, наоборот, расти из-за усиления адгезии и пластической деформации. Для полимеров зависимость еще сложнее и связана с их размягчением или изменением структуры.

2. Удаление поверхностных пленок. Нагрев может испарить с поверхности тончайшие пленки влаги, жиров или других веществ, которые обычно действуют как смазка и уменьшают трение. Их удаление приведет к увеличению силы трения.

3. Тепловое расширение. Если тела прижаты друг к другу в ограниченном пространстве, их нагрев и последующее тепловое расширение могут привести к увеличению силы нормального давления $N$, что, в свою очередь, увеличит силу трения $F_{тр} = \mu N$.

Ответ: Сила трения, скорее всего, изменится. Направление изменения (увеличение или уменьшение) зависит от конкретных материалов, диапазона температур и других условий.

в) Эффект от шлифовки соприкасающихся поверхностей на силу трения неоднозначен и зависит от степени гладкости.

1. При шлифовке шероховатых поверхностей. Шлифовка уменьшает высоту и остроту неровностей на поверхностях. Это уменьшает эффект механического зацепления и "вспахивания" одной поверхности другой. В этом случае сила трения уменьшится. Это наиболее распространенный и ожидаемый результат в бытовых условиях.

2. При шлифовке до очень высокой степени гладкости. Если поверхности отшлифовать до зеркального блеска (сделать их атомарно гладкими), то реальная площадь контакта становится близкой к номинальной. Расстояния между атомами и молекулами соприкасающихся поверхностей становятся настолько малыми, что начинают действовать сильные силы межмолекулярного притяжения (адгезия). Это может привести к резкому увеличению силы трения, а в предельном случае — к "холодной сварке", когда тела слипаются.

Ответ: При умеренной шлифовке шероховатых поверхностей сила трения уменьшится. При шлифовке до чрезвычайно высокой гладкости сила трения может значительно увеличиться из-за сил межмолекулярного притяжения.