Агаян В., Хазен И. Что произойдет, если исчезнет трение? //Квант. - 1990. - № 5. - С. 50-53.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Как показывают оценки, на преодоление трения и его разрушительных последствий человечество тратит примерно 5-10 % всей совершаемой им работы. Если же трение исчезнет, то в машинах, станках, двигателях и других различных устройствах, участвующих в современных производственных процессах, уменьшатся потери энергии, износ, шум.
Но, вместе с тем, если исчезнет трение, то.... наступит хаос. Движущиеся поезда, автомобили, велосипеды, трамваи не смогут остановиться, а покоящиеся - не смогут тронуться с места. Беспомощно будут барахтаться пешеходы, сползая вместе с припаркованными автомобилями и другими предметами по уклонам улиц. Развяжутся узлы на всех нитках и веревках. Сами собой начнут раскручиваться гайки и выпадать шурупы. Обвиснут струны роялей, гитар. Смычки перестанут извлекать звуки из скрипок, альтов, виолончелей...
Но может ли исчезнуть трение? Что значит «трение отсутствует»? Что такое, наконец, сила трения? Об этом и пойдет речь в заметке.
Как известно, сила трения (точнее - сила сухого трения) F определяется коэффициентом трения k , зависящим от рода веществ, из которых сделаны трущиеся тела, и качества обработки их поверхностей, и силой N нормального давления одного тела на другое:
\(~F = kN\) .
Представим себе, что у всех окружающих нас тел любой малый участок поверхности абсолютно гладкий, т. е. k i = 0. Тогда при любой величине силы N i , действующей на этот участок, N i = 0. Очевидно, что это и означало бы, что трение как свойство вещества исчезло.
Однако оказывается, что даже если трение как свойство вещества исчезнет, сила трения между телами, тем не менее, может проявляться. Для того чтобы это пояснить, рассмотрим пример.
Изготовим из вещества, не обладающего трением, два тела, у которых соприкасающиеся поверхности имеют одинаковые бороздки с сечением в виде равнобедренных треугольников с углом при основании α , длиной основания 2l и высотой h (рис. 1). Пусть масса верхнего тела равна m и, соответственно, сила нормального давления верхнего тела на нижнее равна N = mg . Приложим к верхнему телу вдоль горизонтальной плоскости, «осредняющей» бороздки, силу F и будем пытаться с помощью этой силы медленно сдвинуть верхнее тело относительно нижнего. Понятно, что когда верхнее тело переместится по горизонтали на величину l , его центр тяжести поднимется на высоту h и тело приобретет потенциальную энергию
\(~E_p = mgh\) .
При этом сила F совершит работу
\(~A = Fl\) .
Согласно закону сохранения механической энергии,
\(~E_p = A\), или \(~mgh = Fl\) ,
\(~F = \frac hl mg\) .
Обозначим отношение \(~\frac hl\) через k , учтем, что mg = N , и получим
\(~F = kN\) .
Отсюда видно, что для того чтобы в условиях отсутствия трения одно тело начало движение по поверхности другого, надо приложить силу, величина которой определяется точно так же, как и величина силы трения.
Таким образом, предположение о том, что трение как свойство вещества исчезло, не привело к исчезновению силы трения. При этом коэффициент трения оказывается зависящим только от геометрических параметров неровностей на поверхности соприкасающихся тел.
Безусловно, всем хорошо известна задача, в которой смысл коэффициента трения иллюстрируется с помощью наклонной плоскости и находящегося на ней тела. Если менять угол наклона плоскости к горизонту, начиная от нуля, то коэффициент трения будет равен тангенсу такого угла α 0 , при котором лежащее на плоскости тело начнет соскальзывать. Но и в рассмотренном нами идеализированном примере отсутствия трения как свойства вещества движение тела на наклонной плоскости начинается с углов α 0 , для которых \(~\operatorname{tg} \alpha_0 = \frac hl\) (рис. 2). Значит, опять коэффициент трения равен тангенсу угла наклона поверхности контакта тел, при котором одно тело начинает движение по поверхности другого.
Вернемся, однако, к нашему первому примеру (см. рис. 1). В действительности сила трения существует не только в начале движения, поэтому рассмотрим, что будет происходить с нашими идеальными телами, когда их взаимное перемещение по горизонтали станет больше l . Верхнее тело, поднявшись на гребень бороздки, начнет опускаться вниз, его потенциальная энергия будет переходить в кинетическую, а в конце спуска произойдет удар о восходящую грань следующей бороздки. Если при этом опять окажется возможным полное преобразование кинетической энергии в потенциальную, т. е. будет возможен подъем верхнего тела на гребень следующей бороздки, то дальнейшее движение верхнего тела сможет осуществляться без приложения дополнительной силы. А это и будет означать, что сила трения исчезла. Если же этого не произойдет, то, несмотря на полное отсутствие трения как свойства вещества, сила трения сохранится.
Рассмотрим подробнее изменение скорости верхнего тела при ударе о грань следующей бороздки (рис. 3). Будем считать, что условия идеальные и при ударе нет потерь энергии (т. е. происходит абсолютно упругий удар). В таком случае справедлив известный закон: угол падения равен углу отражения; при этом углы отсчитываются от перпендикуляра к поверхности, с которой происходит соударение, т. е. от перпендикуляра к восходящей грани бороздки в нашем случае (см. углы γ на рисунке 3).
Обозначим скорость в конце спуска через \(~\vec \upsilon_1\) (она направлена вдоль плоскости спуска с бороздки), а скорость после удара - через \(~\vec \upsilon_2\). Разложим эти скорости на составляющие вдоль осей X и Y , направленных по горизонтали и по вертикали соответственно ):
\(~\begin{matrix} \upsilon_{1x} = \upsilon_1 \cos \alpha, \upsilon_{1y} = \upsilon_1 \sin \alpha \\ \upsilon_{2x} = \upsilon_2 \cos \varphi, \upsilon_{2y} = \upsilon_2 \sin \varphi \end{matrix}\) .
Из рисунка 3 найдем соотношение между углами α и φ :
\(~\begin{matrix} \varphi = \pi - \alpha - 2\gamma \\ \gamma = \pi - \frac{\pi}{2} - 2\alpha = \frac{\pi}{2} - 2\alpha \end{matrix}\) ,
\(~\varphi = 3 \alpha\) .
Воспользуемся известными из справочников формулами тригонометрии
\(~\begin{matrix} \cos 3 \alpha = 4 \cos^3 \alpha - 3 \cos \alpha \\ \sin 3 \alpha = -4 \sin^3 \alpha + 3 \sin \alpha \\ \cos^2 \alpha + \sin^2 \alpha = 1 \end{matrix}\)
и запишем отношения соответствующих проекций скоростей после удара и до него:
\(~\begin{matrix} \frac{\upsilon_{2x}}{\upsilon_{1x}} = \frac{\cos 3 \alpha}{\cos \alpha} = 1 - 4 \sin^2 \alpha \\ \frac{\upsilon_{2y}}{\upsilon_{1y}} = \frac{\sin 3 \alpha}{\sin \alpha} = -(1 - 4 \cos^2 \alpha) \end{matrix}\) .
В условиях сохранения энергии верхнее тело после удара о нижнее поднимется в точности на гребень следующей бороздки только в том случае, если вектор скорости \(~\vec \upsilon_2\) будет направлен вверх по плоскости бороздки, а величина скорости останется такой же, как и до удара. Этому отвечает условие
\(~\frac{\upsilon_{2x}}{\upsilon_{1x}} = 1\) и \(~\frac{\upsilon_{2y}}{\upsilon_{1y}} = -1\).
Но, в силу приведенных выше формул, это возможно только при α = 0, т. е. когда поверхности соприкасающихся тел абсолютно гладкие, без всяких бороздок! Во всех остальных случаях невозможно полное преобразование кинетической энергии в потенциальную такое, чтобы затем верхнее тело могло неограниченно продолжать свое движение без приложения внешней силы. Если, например, \(~\frac{\upsilon_{2x}}{\upsilon_{1x}} = 1 - 4 \sin^2 \alpha < 0\), т. е. \(~\alpha > \frac{\pi}{6}\), то компонента υ 2x направлена навстречу движению, поэтому сила F должна не только компенсировать потери кинетической энергии при ее преобразовании в потенциальную, но и совершать работу, большую, чем в начале движения.
Из рассмотренного примера возникает парадоксальный вывод: если трение как свойство вещества и может исчезнуть, то это не приведет к исчезновению силы трения, включая и ее характерную особенность - различие в величине силы трения в начале движения и при его продолжении. Останутся также и такие сопутствующие трению явления, как шум из-за ударов неровностей друг о друга и разрушение поверхностей тел (если, например, сломать выступы бороздок окажется легче, чем подняться по ним вверх). Наконец, самое интересное следствие состоит в том, что сохраняется зависимость силы трения между телами от того, из какого вещества они изготовлены, так как при одинаковом способе механической обработки поверхностей форма неровностей для разных веществ может быть различной.
Но так ли это?
Приносит ли сила трения один лишь вред или это сила только на первый взгляд такая "мешающая"?
Давайте попробуем представить, а как изменился бы наш мир, если бы сила трения вдруг взяла и исчезла.
Интересных детских сочинений на эту тему на страницах Интернета довольно много, но большинство из них не имеет авторства, то есть их многократно пересылали друг другу, а имя автора по дороге потерялось.
А это очень обидно!
Поэтому я решила привести здесь только эти два сочинения, которые содержат имена авторов.
Вот, что думают по этому поводу ребята, которых попросили в школе написать небольшое сочинение о том, как изменился бы мир без силы трения...
Если бы не было силы трения
Ашкинази Саша,
7 класс,
Школа 550
Санкт-Петербург
Каникулы уже заканчивались, а я еще не сделал ничего из уроков. И вот под вечер я вспомнил про сочинение по физике. И начал думать, что же написать. Но ничего так и не придумал. Я лег спать.
На следующий день мы поехали в гости к знакомым. Мы поехали на автобусе. Уже через одну была наша остановка. Но вдруг я поскользнулся и упал. Я попытался ухватиться за стойку и встать. Но стойка выскользнула у меня из рук, и я опять упал. Тут я оглянулся и увидел, что каждый, кто не сидел, лежит на полу и не может встать. И автобус не останавливается ни на одной остановке. Вот мы проехали нашу остановку. И тут я подумал: "Вот учительница задала написать сочинение про силу трения, и вот сила трения пропала". Я приподнял голову и увидел, что наш автобус сейчас врежется в дом. Я крикнул и проснулся.
Я долго сидел на кровати, обдумывая этот ужасный сон. Тут я встал с кровати, подошел к столу, сел и написал все это.
Ура! Исчезла сила трения!
Ученица 10 класса: Черепенникова Ульяна
Школа: МБОУ СОШ с. Новое,
Макаровского района, Сахалинской области
Учитель физики: Ежукевич Юлия Валериевна
Совет ООН, высчитав, сколько теряет экономика всех стран в результате преодоления силы трения, постановил: убрать силу трения.
В мире начался хаос. Все тела пришли в движение. Скорость движения рек усилилась. В одно мгновения все их воды оказались в океане. Уровень воды поднялся. Равнины и низменности оказались под водой. На суше, всё пришло в бесконечное движение.
Ученые Гарвардского Университета изобрели порошок, при использовании которого все окружающие предметы начинают прорастать. Первая часть проблемы была решена: можно было как-то закрепиться на суше. Но затем выяснилось, что все время стоять на одном месте не совсем удобно. Тогда промышленники Австралийского Союза придумали специальные топорики, чтобы подрубать корни. Но носить с собой топорик и порошок было неудобно. К тому же руки работали как лопасти винта: то посыпали порошок, то рубили корни, то сыпали, то рубили. Скорость передвижения была как у улитки.
Тогда ученые Кембриджского Университета предложили новую идею: покрыть железом все планету и раздать магнитные ботинки. Но балет, как искусство, стал исчезать. А степ поднял свои позиции. И в скором времени все жители, животные стали передвигаться в ритме степа, а также есть и разговаривать. Что оказалось не совсем и не всегда удобно. А иногда и крайне неудобно.
И тогда выдающиеся русские ученые сказали: «Нужно вернуть силу трения».
На Земле вновь воцарились мир и порядок.
ВНИМАНИЕ, КОНКУРС!!!
Давайте пофантазируем вместе!!!
Я хочу Вам предложить подумать хорошенько на эту тему, представить себе ситуацию, что сила трения действительно исчезла и попробовать описать, что тогда может случиться, и как изменится наш мир.
Получить более подробную информацию о конкурсе и выложить Ваши варианты Вы можете в разделе "Наши конкурсы"
, а лучшие работы мы опубликуем отдельными статьями в разделе проекты (разумеется со всеми именами, фамилиями и той информацией, которую Вы сами захотите оставить).
Будет здорово, если Вы сможете проиллюстрировать свои работы и прислать Ваши рисунки вместе с описанием.
Удачи Вам и творческих успехов!!!
Эти небольшие видеоролики помогут Вам лучше разобраться с тем, что представляет из себя сила трения.
Ответ оставил Гость
Как выглядел бы мир без трения?
А представьте себе.. . что пол в вашей комнате стал ещё более скользким, чем каток; вот в этом случае вы и получите отдалённое представление о ходьбе в мире без трения – она в таком мире почти невозможна. Люди поминутно падали бы и не могли подняться. Ведь только трение (точнее: трение покоя) позволяет нам отталкиваться ногами, шагая вдоль по ровной дороге.
На столе ничего не лежало бы: при малейшем -наклоне всё съезжало бы на пол, скользило и катилось по нему, стараясь добраться до самого низкого места. В самом деле, ведь только сила трения покоя удерживает предметы на слегка наклонном гладком столе и полу и не даёт им съезжать под действием силы тяжести.
Все узлы немедленно развязывались бы; ведь узлы держатся только благодаря трению одних частей верёвки, шнурка или бечёвки о другие.
Все ткани расползались бы по ниткам, а нитки – в мельчайшие волокна.
Но не только ходить в мире без трения было бы невозможно.
Каким образом, например, мог бы шофёр остановить свою машину? Ведь автомобиль тормозят тем, что прижимают к специальным барабанам, вращающимся вместе с колёсами, тормозные колодки (или ленты) . Повернуть машину в мире без трения тоже не удалось бы. Вспомните, что в гололедицу автомобиль не только «идёт юзом» , но и не слушается руля. Без трения автомобиль не только нельзя остановить или повернуть, его вообще нельзя заставить катиться. Мотор приводит во вращение задние ведущие колёса автомобиля. Но в мире без трения вращающиеся ведущие колёса автомобиля будут «буксовать» , как это часто бывает в зимнее время на обледеневшей дороге. Чтобы колёса катились, необходимо трение их о дорогу.
В мире без трения нельзя было бы ничего толком построить или изготовить: все гвозди выпадали бы из стен, – ведь вбитый гвоздь держится только из-за трения о дерево. Все винты, болты, шурупы вывинчивались бы при малейшем сотрясении – они удерживаются только из-за наличия трения покоя.
Нельзя было бы построить самой простой машины. Приводные ремни, бегущие со шкива на шкив и передающие вращение от моторов к станкам и машинам, немедленно соскакивали бы: ведь именно трение заставляет ремень, надетый на ведущий шкив, двигаться вместе с ним.
И без жидкого трения жизнь на Земле была бы затруднительной. Из-за неравномерного нагревания Солнцем различных участков поверхности Земли воздух над ними не бывает одинаково плотным. Более плотный воздух из холодных мест перемещается в места более тёплые, вытесняя оттуда нагретый воздух. Возникает движение воздуха – ветер. Но при наличии внутреннего трения (вязкости) движение воздуха тормозится, ветер рано или поздно стихает. В мире без трения ветры дули бы с невероятной скоростью.
Реки, текущие с гор, не тормозились бы о берега и дно. Вода в них текла бы всё быстрее и быстрее и, с бешеной силой налетая на излучины берегов, размывала и разрушала бы их. Упавшие в воду глыбы (например, при извержении вулканов) вызывали бы волны, которые бушевали бы, не стихая – ведь усмирявшее их раньше внутреннее трение между слоями воды,
а также трение о берега и дно исчезли! Огромные волны на морях и океанах, раз образовавшись, никогда не стихали бы.
Картина мира без трения: ползущие без торможения со склонов гор на равнины громадные каменные глыбы, рассыпающиеся песчаные холмы.. . Всё, что может двигаться, будет скользить и катиться, пока не окажется на самом низком возможном уровне.
Может быть одним из полезнейших явлений природы, делающим возможным наше существование, является именно трение?
Ученые говорят, что человек тратит 10-12 % усилий на борьбу с силой трения и избавление от последствий ее действия. Казалось бы, уберем силу трения и резко снизятся потери энергии. Но в действительности далеко не все так просто. Давайте представим, что произойдет, если гипотетически на Земле исчезнет сила трения.
Выходите вы такой ранним утром из своего обычного дома на улицу, где уже нет трения, и что видите? Первым делом вы хорошо приложитесь пятой точкой или затылком, как повезет, о землю, потому что силы трения между ботинками и вашим крыльцом уже нет. А что вы думали? Идеальный гололед.
Упав, вы начнете скользить по поверхности в направлении наклона улицы. Вместе с вами по улице будут катиться ваши соседи, дворовые собаки, мусорные контейнеры и автомобили. Все, что не вкопано глубоко и прочно в землю.
Попав в «карман» из каких-нибудь надежно закрепленных конструкций, откуда некуда катиться, вся ваша дружная компания остановится. Но представьте, какая куча-мала будет в этом месте? Более того — это будет трагедия, ведь против летящего автомобиля или любого другого большого предмета у вас мало шансов. А встать и убежать вы просто не в состоянии. Возможно, нас выручили бы присоски, но не факт.
Что говорят физики по этому поводу:
1. Любые средства передвижения, будь то велосипед, автобус или электричка, не смогут остановиться, а стоящий на месте транспорт не сможет двинуться с места.
2. Ваш ребенок не сможет научиться играть на скрипке, контрабасе, виолончели или альте, просто потому, что смычок не сможет больше извлечь звук из этих музыкальных инструментов. Это самое безобидное последствие отсутствия силы трения.
3. Шнурки вы тоже больше не сможете завязать, потому что всевозможные узлы мгновенно развяжутся.
4. Мы перестанем вешать картины и полки на стены, потому что гвозди и саморезы просто будут выскальзывать из них. Сами по себе будут раскручиваться гайки. Шурупы и болты, закрученные вверх, выкрутятся под собственным весом или весом прикрепленных к ним конструкций. Представляете, сколько всего свалится на землю с высоты?
5. В горах начнутся камнепады и массовые сходы лавин. Вследствие вращения планеты пока непонятно, как будут вести себя океаны и моря. Возможно они просто равномерно тонким слоем размажутся по поверхности всей планеты?
