Номер 5, страница 103 - гдз по физике 7 класс учебник Кронгарт, Даданбеков

5. Когда возникает сила трения качения?

5. Когда возникает сила трения качения?

Сила трения качения возникает в тот момент, когда одно тело (например, колесо, шар или цилиндр) катится по поверхности другого тела без проскальзывания. Её природа fundamentally отличается от природы трения скольжения.

Основная причина возникновения силы трения качения — это деформация катящегося тела и/или поверхности, по которой оно катится. В реальном мире не существует абсолютно твердых тел, поэтому при контакте они всегда немного деформируются.

Рассмотрим механизм возникновения этой силы на примере колеса, катящегося по горизонтальной поверхности:

1. Деформация. Под действием веса колесо вдавливается в поверхность, а сама поверхность под колесом прогибается. В результате образуется небольшая ямка, а колесо в месте контакта становится плоским.

2. Асимметрия сил. Из-за того, что колесо движется, оно постоянно "наезжает" на новый участок поверхности, деформируя его, в то время как позади него поверхность восстанавливает свою форму. Этот процесс восстановления (распрямления) происходит не мгновенно и не полностью упруго. В итоге, силы давления со стороны поверхности на переднюю часть колеса (в направлении движения) оказываются больше, чем на заднюю.

3. Создание тормозящего момента. Из-за этой асимметрии равнодействующая силы нормальной реакции опоры $N$ оказывается смещенной вперед относительно центра колеса. Эта смещенная сила вместе с силой тяжести $mg$, приложенной к центру колеса, создает пару сил. Эта пара сил образует момент $M_{тр}$, который направлен против вращения колеса и стремится его остановить. Этот тормозящий момент и является проявлением силы трения качения.

4. Энергетические потери. На непрерывную деформацию материалов тратится энергия, которая в основном переходит в тепло (внутреннюю энергию). Эти потери энергии и вызывают замедление катящегося тела, что мы и воспринимаем как действие силы трения качения.

Сила трения качения $F_{тр.кач}$ обычно намного меньше силы трения скольжения, что и делает колесо столь эффективным изобретением. Она рассчитывается по формуле:

$F_{тр.кач} = \frac{k \cdot N}{R}$

где $k$ — коэффициент трения качения (имеет размерность длины, например, в метрах), $N$ — сила нормальной реакции опоры, а $R$ — радиус катящегося тела.

Таким образом, сила трения качения тем меньше, чем тверже материалы (меньше деформация и коэффициент $k$) и чем больше радиус колеса $R$.

Ответ: Сила трения качения возникает при качении одного тела по поверхности другого из-за неизбежной деформации контактирующих поверхностей. Эта деформация приводит к возникновению тормозящего момента сил и потерям энергии, что и проявляется как сила, препятствующая качению.