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  .

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.

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 .

Рассмотрим равновение катка. Система сил – плоская. Запишем уравнения равновесия системы сил.

(x)

(y)

(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.

Рассмотрим движение ведомого колеса. , а .

Качение колеса начнется, когда выполнится условие или

Скольжение колеса начнется, когда выполнится условие .

Обычно отношение и качение начинается раньше скольжения.

Если , то колесо будет скользить по поверхности, без качения

2 вопрос -Закон изменения импульса системы.

Рассмотрим систему, состоящую из нескольких частиц, обладающих массами m_i. Запишем закон движения, основываясь на определении импульса системы и законах движения входящих в нее частиц. Произведем векторное суммирование всех скоростей изменения импульсов частиц системы и сил, действующих на них. Выделим два типа сил: внутренние, обусловленные взаимодействием частиц системы между собой, и внешние, обусловленные воздействиями извне.

Тогда закон движения системы запишется в виде:

, (4)

где F _ik - внутренние силы взаимодействия i-й и k-й частиц
системы между собой;
F _i - равнодействующая внешних сил, приложенных к i-й частице.

Согласно третьему закону Ньютона каждая пара частиц действует друг на друга с силами, равными по величине и противоположными по направлению F _ik = - F _ki. Следовательно, результирующая внутренних сил равняется нулю и

скорость изменения импульса системы P равняется векторной сумме внешних сил F_i, действующих на частицы этой системы.

. (5)

Уравнение (5) справедливо для любого момента времени и не зависит от конкретного способа взаимодействия частиц между собой. Изменение импульса системы за конечный промежуток времени можно рассчитать, произведя суммирование импульсов внешних сил по отдельным участкам движения в соответствии с уравнением (8).

. (8)

Изменение импульса системы за конечный промежуток времени t равно определенному интегралу от импульса равнодействующей внешних сил.

Билет 25

1 вопрос

Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 Следующая