вход

Оглавление


1.  Введение

Существующий в учебной литературе разброс мнений о природе и способах описания силы трения качения отчасти обусловлен расплывчатым характером ее определений и, главным образом, неоднозначным механизмом ее реализации в различных ситуациях. Так в [1] сила трения качения качественно объясняется наличием "бугорка" поверхности, на который постоянно наезжает передняя часть движущегося колеса (см. рис. 1).

\includegraphics{allpic.26}
Рис. 1. Сила трения качения как результат несимметричной деформации поверхности вблизи катящегося колеса.

Разность сил реакции передней и задней части колеса создает тормозящую силу, которую (по аналогии с силой трения скольжения) следует считать пропорциональной весу колеса. При
этом все детали этого "простого" механизма оказываются заключенными в единственном универсальном для
данной пары материалов "коэффициенте трения качения" $ \mu_$к$ ,$ определяемым по формуле:

$\displaystyle F_{\text{к}}=\mu_{\text{к}}N.$ (1)
В другой популярной публикации ([2]) утверждается, что при качении колеса сила тяжести и сила реакции образуют пару сил, которая, в свою очередь, создает момент, тормозящий качение (см. рис. 2).

\includegraphics{allpic.27}
Рис. 2. Сила трения качения как результат несимметричного распределения момента силы реакции на площадке контакта.

При этом этот момент выражается по формуле:

$\displaystyle M_{\text{к}}=\delta_{\text{к}}N,$ (2)
где $ \delta_{\text{к}}$ -- параметр, имеющий размерность длины, так же называемый коэффициентом трения качения. В классическом учебнике Д.В.Сивухина [3] находим лишь замечание о том, что "трение качения формально подчиняется тем же законам, что и трение скольжения. Однако коэффициент трения при качении значительно меньше, чем при скольжении." Эти и другие объяснения, которые можно найти в учебной литературе [4,5,6], на наш взгляд, затрагивают лишь "вершину айсберга" под названием "сила трения качения" и каждый из подходов, как правило, опирается лишь на какой-то один (весьма грубый и качественный) механизм. Если не вникать в детали механизмов силы трения качения, которые рассеяны во множестве оригинальных научных статей и монографий, эту силу следовало бы определять чисто энергетически, опираясь на достоверный факт: для поддержания постоянной скорости качения круглого предмета (цилиндра, кольца, шара и т.д. ) по ровной поверхности к этому предмету необходимо прикладывать некоторую силу $ F.$ В силу общих законов механики, должна существовать "сила" -- ее и следует называть силой трения качения -- действующая на предмет в целом, равная по модулю $ F$ и противоположная ей по направлению. В настоящей статье мы собираемся показать, что без конкретизации условий качения (характера приложения силы, геометрических параметров катящихся тел, скорости качения и ряда других) невозможно однозначно указать конкретный механизм ее действия. Мы убедимся, что, в принципе, это механизм почти всегда имеет сложный (составной) характер, но в конкретных условиях одна из составляющих механизма может доминировать над другими. В первой части статьи мы приведем примеры относительно простых ситуаций, которые, помимо самостоятельного учебного интереса, выявляют некоторые особенности качения тел, важные при анализе механизмов трения качения. Во второй части мы обсудим некоторые наиболее простые в идейном плане конкретные механизмы силы трения качения и на основе количественных оценок проведем их сравнительный анализ.
След.: 2.  Некоторые задачи с Выше: Что такое сила трения Пред.: Что такое сила трения