Сила трения – одна из важнейших физических сил, с которой сталкиваемся в повседневной жизни, особенно когда речь идет об автомобиле. Но что происходит, когда автомобиль останавливается и не движется? Как действует сила трения в этом случае? В этой статье мы разберем эти вопросы и дадим объяснение физическим принципам, лежащим в основе действия силы трения на неподвижный автомобиль.
Сила трения возникает тогда, когда два объекта соприкасаются и между ними возникает сопротивление при попытке одного из них двигаться относительно другого. В случае автомобиля, сила трения возникает между колесами и дорожным покрытием. Но какова природа этой силы и почему автомобиль остается на месте, несмотря на движение колес и применение силы на педаль газа?
При неподвижном автомобиле сила трения играет решающую роль. Сила трения складывается из нескольких компонентов, включая силу трения между колесами и дорогой, а также силу трения, возникающую во внутренних элементах двигателя. Благодаря силе трения автомобиль остается на месте и не начинает движение, пока не будет применена достаточная сила для преодоления этого сопротивления.
Содержание
- Как действует сила трения на неподвижный автомобиль?
- Что влияет на величину силы трения при стоянке автомобиля?
- Какие факторы сказываются на максимальной силе трения для неподвижного автомобиля?
- Почему сила трения может быть разной для разных поверхностей, на которых стоит автомобиль?
Как действует сила трения на неподвижный автомобиль?
Существует два вида силы трения: сухое трение и трение со смазкой. Сухое трение возникает между двумя сухими поверхностями, а трение со смазкой — между двумя поверхностями, находящимися в контакте через смазку, например масло.
На неподвижный автомобиль действует сухое трение. Если автомобиль находится на ровной поверхности, то сила трения будет действовать в направлении, противоположном силе, приложенной к автомобилю, например, тяговому усилию двигателя. Это означает, что сила трения будет стремиться удержать автомобиль на месте, противодействуя любым попыткам автомобиля начать движение.
Сила трения зависит от нескольких факторов, включая вес автомобиля и коэффициент трения между поверхностями. Чем больше вес автомобиля, тем сильнее будет сила трения. Коэффициент трения, с другой стороны, зависит от состояния поверхностей и может быть различным для разных типов дороги.
Важно отметить, что сила трения может быть преодолена при достаточно больших тяговых усилиях, и автомобиль начнет движение. Однако, чтобы преодолеть силу трения и начать движение, необходимо применить достаточно большую силу, чтобы превысить значение силы трения, которая действует на автомобиль.
Таким образом, сила трения играет важную роль в движении автомобиля, препятствуя его началу и поддерживая его в состоянии покоя на неподвижной поверхности.
Что влияет на величину силы трения при стоянке автомобиля?
Еще одним фактором, влияющим на величину силы трения, является вес автомобиля. Чем больше вес автомобиля, тем больше сила трения будет действовать при его стоянке. Это объясняется тем, что при большом весе автомобиля на колеса действует большая сила давления на поверхность, что увеличивает силу трения.
Также на величину силы трения при стоянке автомобиля влияет состояние и тип шин. Чем более изношены шины, тем больше сила трения будет действовать. Также важно учитывать тип шин — зимние шины обладают лучшим сцеплением с дорогой и, соответственно, меньшей силой трения, чем летние шины.
Величина силы трения также может зависеть от уклона дороги. Если автомобиль стоит на наклонной поверхности, то компонент силы трения, направленный вдоль поверхности, будет увеличиваться, что может вызвать движение автомобиля.
Стоит отметить, что сила трения при стоянке автомобиля является относительно небольшой по сравнению с другими силами, например, с силой трения при движении автомобиля. Однако, учет всех вышеперечисленных факторов может быть важным при выборе места стоянки и предотвращении случайного движения автомобиля.
Какие факторы сказываются на максимальной силе трения для неподвижного автомобиля?
Максимальная сила трения для неподвижного автомобиля зависит от нескольких факторов, которые влияют на взаимодействие между шинами и дорогой. Основные факторы, определяющие силу трения, включают:
| Фактор | Описание |
|---|---|
| Поверхность дороги | Состояние и тип дорожного покрытия имеют решающее значение для силы трения. Чистая, сухая и ровная дорога обеспечивает лучшее сцепление шин с дорожной поверхностью и, следовательно, меньшую силу трения. |
| Состояние шин | Изношенные или неправильно накачанные шины могут существенно ухудшить сцепление с дорогой и повысить силу трения. Правильное давление в шинах и достаточная их протекторная глубина играют важную роль в снижении силы трения. |
| Масса автомобиля | Масса автомобиля оказывает прямое влияние на силу трения. Чем больше масса автомобиля, тем больше сопротивление движению он испытывает при попытке начать движение. |
| Угол наклона дороги | Угол наклона дороги также влияет на силу трения. Чем круче уклон, тем больше сила трения, которую необходимо преодолеть, чтобы начать движение. |
Все эти факторы в совокупности определяют максимальную силу трения для неподвижного автомобиля. Их учет и правильное обращение повышает безопасность и эффективность движения.
Почему сила трения может быть разной для разных поверхностей, на которых стоит автомобиль?
Сила трения зависит от нескольких факторов, включая:
| Фактор | Влияние на силу трения |
|---|---|
| Материал поверхности | Разные материалы имеют разные свойства поверхности, что может влиять на силу трения. Например, металлическая поверхность может быть более скольжением, чем бетонная поверхность. |
| Состояние поверхности | Чистая и гладкая поверхность может иметь меньшую силу трения, чем грязная и шероховатая поверхность. Это связано с тем, что на шероховатой поверхности больше места для взаимодействия и сцепления между двумя поверхностями. |
| Нормальная сила | Сила трения пропорциональна нормальной силе, которая является перпендикулярной силой, действующей между двумя поверхностями. Чем больше нормальная сила, тем больше сила трения. |
Из-за разных свойств поверхностей, сила трения может быть разной для разных поверхностей, на которых стоит автомобиль. Например, на гладкой асфальтовой дороге сила трения будет меньше, чем на гравийной дороге с шероховатой поверхностью, так как гравий создает больше сопротивления движению.
Понимание факторов, влияющих на силу трения, помогает водителям и инженерам оптимизировать поверхности дорог и шин автомобилей для достижения лучшего сцепления и безопасности на дорогах.
First and foremost, here is the free body diagram of the wheel. The wheel is moving to the left and the friction is holding it back in the opposite direction. The $c$ here is damping from the bearing of the wheel, but I am not going to explain that further because we are focusing on the friction between the wheel and the ground.
From the free body diagram, the friction is only written as $F_t$, mainly because there are two types of frictional force, and they both play a role here. The static frictional force $f_s$ and the kinetic frictional force $f_k$ can be written as
$$f_s = \mu_s N \\
f_k = \mu_k N $$
where $\mu_s$ & $\mu_k$ are static and kinetic friction coefficient respectively and $N$ is the normal force.
Now, if we try to move a block of wood from a stationary position by applying a force to it, the friction force is not constant. It follows the diagram below
(source: ucsc.edu)
So, we start with not enough force to move the wooden block, what we feel is actually the static frictional force holding back our applied force. Without this, then the block would move with just a tiny amount of force (marked red). Next, if we apply more force, the friction holding it back will increase until a threshold point (marked green); this is at the exact moment when the block is just about to move. Then, as we apply even greater force, we will eventually move the block and the friction would remain constant even if we keep applying more force (marked blue).
Thus, in a car, we can imagine the scene as something similar to that block of wood. When moving, the engine rotates the wheel with just enough torque so that the wheel can «grip» the road using the static frictional force. Does that mean the car doesn’t move? No, because the bottom of the wheel is held back by friction, therefore there is no motion relative to the two surfaces. Also, because the torque generated by the engine, it still wants to rotate. Since the bottom part doesn’t move, it moves forward
On the other hand, if more torque is applied (or the surface is slippery, thus reducing the static frictional coefficient) then the wheel would slip or spin in place (e.g. when going through mud). Or simply put
I hope this answers your question. There are a lot of resources on the internet on this topic. This is just a summary based on the available information.
2017-03-08 
Определите максимальное ускорение, с которым заднеприводный автомобиль с расстоянием между осями $L=1,2 м$, центр тяжести которого расположен на высоте $h=1 м$ от земли посередине между осями, может начать двигаться, если он находится а) на льду, б) на асфальте. Коэффициент трения скольжения колес по льду 0,1; по асфальту 0,7.
Решение:
На автомобиль действуют сила тяжести $M \vec{g}$, приложенная к его центру масс, и силы реакции опоры на передние и задние колеса $\vec{N}_{1}$ и $\vec{N}_{2}$ соответственно (рис.). Кроме того, на задние колеса действует сила трения $\vec{F}_{тр}$, являющаяся силой трения покоя и направленная по направлению движения автомобиля (это становится очевидным, если заметить, что нижняя точка колеса неподвижна относительно земли, а действующий на колесо со стороны двигателя момент сил стремится сдвинуть ее против направления движения автомобиля). Именно эта сила трения покоя и движет автомобиль вперед. В то же время на переднее колесо не действуют ни сила трения покоя, ни сила трения скольжения, т.к. оно катится без проскальзывания и не приводится во вращение мотором.
Записав второй закон Ньютона в проекциях на вертикальную и горизонтальную ось и уравнение моментов относительно т.А, являющейся точкой пересечения проведенной через центр тяжести горизонтали и проведенной через ось заднего колеса вертикали (см. рис. 34), получим систему уравнений, описывающую движение автомобиля:
$\begin{cases} F_{тр} = Ma_{max} \\ N_{1} + N_{2} = Mg \\ N_{1} L + F_{тр} h = Mg \frac{L}{2} \end{cases}$ (1)
Учитывая, что сила трения покоя $F_{тр} \leq \mu N_{2}$, можно прийти к системе неравенств, ограничивающих значение ускорения:
$\begin{cases} a \leq \mu \frac{N_{2}}{M} \\ a \leq \left ( \frac{N_{2}}{M} — \frac{g}{2} \right ) \frac{L}{h} \end{cases}$ (2)
При нарушении первого условия системы (2) задние колеса начнут проскальзывать, а при нарушении второго условия нарушится третье уравнение системы (1), суммарный момент сил $\vec{N}_{1}$ и $\vec{F}_{тр}$ превысит момент силы тяжести и автомобиль опрокинется назад.
Поскольку правые части неравенств системы (2) прямо пропорциональны силе $N_{2}$, то максимальное ускорение достигается при ее максимальном значении. Очевидно, что оно равно значению силы тяжести, тогда (2) принимает вид
$\begin{cases} a \leq \mu g \\ a \leq \frac{L}{2h} g \end{cases}$. (2)
Непосредственным вычислением несложно убедиться, что при $\mu = 0,1$ существенным оказывается первое неравенство, а при $\mu = 0,7$ — второе.
Ответ: а)$1 м/с^{2}$, б) $6 м/с^{2}$.
МЕХАНИКА. ГЛАВА II. ОСНОВЫ ДИНАМИКИ. 13. Трение покоя. Коэффициент трения. Сила трения скольжения. Сила сопротивления среды → номер 247
Дано: μ = 0,3. Найти: amax.
Решение.
Ответ: amax = 3 м/с<sup>2</sup> .