Сила трения качения без проскальзывания. Качение без скольжения. Качение реального тела

Пусть на тело вращения, располагающееся на опоре, действуют: P - внешняя сила, пытающаяся привести тело в состояние качения или поддерживающая качение и направленная вдоль опоры, N - прижимающая сила и Rp - сила реакции опоры.

Если векторная сумма этих сил равна нулю, то ось симметрии тела движется равномерно и прямолинейно или остаётся неподвижной. Вектор Ft=-P определяет силу трения качения, противодействующую движению. Это означает, что прижимающая сила уравновешивается вертикальной составляющей реакции опоры, а внешняя сила уравновешивается горизонтальной составляющей реакции опоры.

Ft·R=N·f

Отсюда сила трения качения равна:

Происхождение трения качения можно наглядно представить себе так. Когда шар или цилиндр катится по поверхности другого тела, он немного вдавливается в поверхность этого тела, а сам немного сжимается. Таким образом, катящееся тело все время как бы вкатывается на горку. Вместе с тем происходит отрыв участков одной поверхности от другой, а силы сцепления, действующие между этими поверхностями, препятствуют этому. Оба эти явления и вызывают силы трения качения. Чем тверже поверхности, тем меньше вдавливание и тем меньше трение качения.

Обозначения:

Ft - сила трения качения

f - коэффициент трения качения, имеющий размерность длины (м) (следует отметить важное отличие от коэффициента трения скольжения μ , который безразмерен)

R - радиус тела

N - прижимающая сила

P - внешняя сила, пытающаяся привести тело в состояние качения или поддерживающая качение и направленная вдоль опоры;

Rp - реакция опоры.

> Качение без скольжения

Рассмотрите движение без проскальзывания . Читайте про роль угловой и линейной скорости, как действуют поступательное и вращательное движения, формулы.

Качение без скольжения можно распределить на вращательное и поступательное движения.

Задача обучения

• Научиться отличать два разных движения, где качение осуществляется без скольжения.

Основные пункты

• В качении без скольжения разобраться намного проще, если вы разобьете его на поступательное и вращательное движения.
• Когда объект катится по плоскости без скольжения, то точка контакта между ними не смещается.
• Скорость v скользящего объекта напрямую связана с угловой скоростью ω. Математически выражается как v = ωR, (R – радиус объекта, а v – линейная скорость).

Термины

• Угловая скорость – векторная величина, характеризующая перемещение тела в круговом движении. Приравнивается к угловой скорости и направлена перпендикулярно плоскости.
• Линейная скорость – векторная величина, отображающая скорость изменения позиции по времени центра масс.

Если с самого начала объект переворачивается без буксирования, то можно говорить о качении без проскальзывания. Чтобы разобраться, давайте рассмотрим пример с колесом на плоской горизонтальной поверхности.

Движение без проскальзывания понять намного проще, если выделить в нем движение центра масс с линейной скоростью v и вращательное движение вокруг центра с угловой скоростью w.

Движение качения отображает комбинацию вращательного и поступательного движений

Когда объект катится по плоскости без скольжения, точка контакта не смещается. Если представим, что колесо движется со скоростью v, то заметно, что оно должно также совершать движение вокруг своей оси с угловой скоростью ω.

Угловая скорость тела (ω) расположена прямо пропорционально скорости движения. Вы ведь могли заметить: чем быстрее разогналась машина, тем больше оборотов совершают колеса. Чтобы вычислить точную связь между линейной и угловой скоростями, можно взять случай, где колесо смещается на дистанцию х при повороте на углу θ.

Тело, скатывающееся на дистанцию х на плоскости, лишенной скольжения

В математике длина дуги приравнивается к углу сегмента, умноженному на радиус объекта (R). Отсюда выходит, что длина дуги колеса, повернутого на θ, достигает Rθ. Так как колесо постоянно контактирует с поверхностью, длина дуги также равна х. Выходит:

Не забывайте, что х и θ зависят от времени, поэтому возьмем их производные:

Здесь аналогичен v в линейной скорости, а – угловой скорости ω. Теперь можно все упростить:

Качение тел по плоской поверхности -- весьма распространенный вид механического движения. Однако, решение конкретных задач, связанных с качением тел, как правило, вызывает затруднения, которые можно было бы, в значительной степени, избежать, если в самом начале изучения этой темы более четко определить понятие силы трения качения. Дело в том, что при качении тел приходится иметь дело с тремя различными видами сил трения: силой трения покоя (у некоторых авторов "сцепления"), трения скольжения и трения качения (в узком собственном смысле). Только с последними двумя силами связана диссипация механической энергии (т.е. превращение механической энергии в тепло). Сила трения покоя, хотя и играет роль в динамике движения, механической работы не совершает. Привычка, или сложившийся стереотип решения задач, связанные с заменой распределенной по поверхности силы ее равнодействующей с определенной точкой приложения, приводят в случае трения качения к ряду "парадоксов", которых можно избежать, отказавшись от однозначности в трактовке этой силы. Ряд авторов классических учебников по физике для вузов, как правило, избегают рассмотрения этого вопроса. Полагая, что силы трения качения в обычных условиях невелики авторы учебников и задачников при рассмотрении задач на качение тел с проскальзыванием и без него, как правило, ограничиваются замечанием о том, что силами трения качения можно пренебречь, не оценивая значимость такого упрощения. Действительно, такой подход позволяет решить ряд задач достаточно просто и эффектно. При этом в ряде случаев используется закон сохранения механической энергии. Однако, несложный анализ обнаруживает, что при вынужденном качении тел по горизонтальной поверхности сила трения покоя может быть направлена в любую сторону и может даже обратиться в нуль, что для сил трения качения в узком смысле невозможно. В этой ситуации даже возникает вопрос: по сравнению с какой силой можно пренебречь силой трения качения? Задача о вынужденном качении достаточно поучительна и ее решение мы здесь обсудим. Цилиндр массы и радиуса находится на горизонтальной шероховатой поверхности. На цилиндре имеется шкив радиуса На шкив наматывается нить, которую тянут за конец с постоянной силой Исследуем зависимость силы трения покоя от радиуса шкива и выясним условия, при которых качение будет происходить со скольжением. Силы трения качения в узком смысле будем, как это и принято, считать пренебрежимо малыми.

Силы, действующие на цилиндр изображены на рис. . Записав уравнение поступательного и вращательного движения в отсутствие проскальзывания:

Получаем выражение для силы трения покоя:

График полученной зависимости представлен на рис. . Скольжения не будет, пока ( -- коэффициент трения), т.е. при

Если силу приложить на расстоянии от центра, скольжения не будет при любом сколь угодно малом коэффициенте трения. При приложении силы вблизи центра катящегося тела, возникающая сила трения покоя, практически, равна по модулю и противоположна по направлению приложенной внешней силе. Если же внешнюю силу приложить на расстоянии от центра катящегося цилиндра, сила трения покоя будет направлена в ту же сторону, что и внешняя сила. Это интересное обстоятельство иллюстрирует нашу идею, высказанную во введении. Часть механизмов силы трения качения обусловлена физическими процессами, происходящими на площадке контакта. В частности, одной из важных характеристик этих процессов является истинное распределение напряжений на ней. Разобранная задача наглядно демонстрирует, что распределение напряжений на площадке контакта кардинальным образом зависит от способа приложения силы, т.е. от условий качения. Естественно ожидать, что и сила трения качения будет существенно зависеть от этих условий. Задачи подобного типа нуждаются в уточнении для объяснения ряда наблюдаемых эффектов, возникающих при качении. В качестве примера рассмотрим особенности движения бильярдных шаров. Рассмотрим следующий вопрос: как надо ударить кием по бильярдному шару, чтобы сила трения шара о сукно заставляла его двигаться: а) ускоренно; б) замедленно; в) равномерно. Для упрощения анализа предположим, что удар наносится кием горизонтально в вертикальной плоскости, проходящей через центр шара и точку касания его с поверхностью бильярдного стола (рис. ).

На первый взгляд, может показаться странным, что после удара шар может двигаться по столу ускоренно, поскольку принято считать, что силы трения всегда направлены в сторону, противоположную движению. На самом деле, в зависимости от условий удара, сила трения может быть направлена как по скорости движения, так и против нее (). Действительно, вследствие удара шар приобретает как поступательное, так и вращательное движение. Здесь возможны три различных ситуации. 1. Если скорость поступательного движения меньше линейной скорости вращательного движения точек на поверхности шара то шар движется с проскальзыванием и возникает сила трения скольжения, направленная в сторону движения, увеличивающая скорость поступательного движения и уменьшающая скорость вращательного движения до тех пор, пока эти скорости не сравняются. После этого потери механической энергии шара при его качении будут определяться силой трения качения в узком смысле. 2. Если скорость поступательного движения будет больше скорости вращательного движения то шар будет двигаться замедленно. 3. При шар покатится с последующей постепенной потерей энергии за счет действия сил трения качения. Необходимые условия удара (см. рис. ) находятся из уравнений динамики поступательного и вращательного движений (без учета сил трения качения):

Где -- момент инерции шара. Отсюда:

В силу того, что начальные значения поступательной и вращательной скоростей равны нулю, имеем:

Рассмотрим теперь задачу о столкновении бильярдных шаров при различных условиях. Точнее, определим условия, при которых при столкновении движущегося шара с другим (неподвижным) шаром: 1) оба шара стали двигаться вперед (удар с накатом); 2) налетающий шар остановился, а покоящийся стал двигаться вперед; 3) налетающий шар после удара откатился назад (удар с оттяжкой). По-прежнему мы будем пренебрегать силой трения качения шаров как при движении шаров, так и в процессе их взаимодействия. Первый случай реализуется при высоких ударах когда шар движется с вращением в сторону движения. При упругом столкновении шары обмениваются поступательными импульсами и второй шар начинает скользить со скоростью первого. При этом сила трения скольжения будет уменьшать скорость поступательного и увеличивать скорость вращательного движений до того момента, до того момента, когда они сравняются и шар покатится. Движущийся шар остановится, но, поскольку он вращался, сила трения скольжения будет продолжать действовать вперед и шар снова начнет двигаться. Для того, чтобы произвести столкновение шаров типа "удара с оттяжкой", необходимо, чтобы скользящий шар вращался противоположно рассмотренному выше случаю. Наконец, чтобы реализовать столкновение с остановкой налетающего шара, необходимо, чтобы его поступательная и вращательная скорость после удара одновременно обратились в нуль. На практике это возможно, но теоретическое объяснение в этом случае потребует учета силы трения качения. Следует отметить, что и предыдущих ситуациях учет силы трения качения при столкновениях может привести к существенной модификации решения. След.:

В кинематических парах реальных механизмов возникают силы трения; во многих случаях эти силы существенно влияют на движения механизма и должны учитываться в силовых расчетах.

Пусть S – поверхность соприкосновения элементов кинематической пары (рис.5.1). Выделим на этой поверхности элементарную площадку dS в окрестности некоторой точки A . Рассмотрим силы взаимодействия, возникающие на этой площадке и приложенные к одному из звеньев кинематической пары. Главный вектор этих сил разложим на составляющие: , направленную по нормали к поверхности S , и , лежащую в касательной плоскости. Главный момент относительно точки A также разложим на нормальную и касательную составляющие. Сила называется силойтрения скольжения ; момент – моментомтрения качения , а момент – моментомтрения верчения . По своей физической природе силы трения являются силами сопротивления движению; отсюда следует, что сила направлена противоположно вектору относительной скорости (скорости скольжения) в точке A , а векторы и – противоположны по направлению соответственно касательной и нормальной составляющим вектора относительной угловой скорости.

Многочисленные экспериментальные исследования показали, что при силовом анализе механизмов можно в большинстве случаев основываться на законе сухого трения, известным в физике под названием законаАмонтона – Кулона . В соответствии с этим законом модули силы трения dF и моментов dM К и dM В принимаются пропорциональными модулю нормальной составляющей реакции dN :

где f – безразмерный коэффициенттрения скольжения, а k и k В – коэффициентытрения качения и верчения, измеряемые в сантиметрах.

Из (5.1) и сделанных выше предположений о направлении сил и моментов вытекают следующие векторные соотношения:

Формулы (5.1) и (5.2) могут быть непосредственно использованы для определения сил трения в высшей кинематической паре с точечным контактом. В случае низших кинематический пар с контактом по линии главный вектор и главный момент сил трения определяется интегрированием сил и моментов, возникающих на элементарных площадках по поверхности или по линии соприкосновения. Так, например, суммарная сила трения в низшей кинематической паре может быть определена по формуле

где S – поверхность соприкосновения. Для того чтобы воспользоваться этой формулой, нужно знать закон распределения нормальных реакций по поверхности S .

Коэффициенты трения скольжения, верчения и качения определяются экспериментально; они зависят от многих факторов: от свойств материала, из которого изготовлены соприкасающиеся элементы кинематических пар, от чистоты обработки поверхностей, от наличия смазки и свойств смазочного материала, наконец, от величины относительной скорости и относительной угловой скорости звеньев. В механике машин значения этих коэффициентов предполагаются заданными и постоянными.

Формулы (5.1) и (5.2) становятся неприменимыми, если скорость скольжения в точке контакта и относительная угловая скорость равны нулю, то есть если звенья, образующие кинематическую пару, находятся в состоянии относительного покоя. В этом случае суммарные силы и моменты сил трения в кинематической паре могут быть определены из условий равновесия звеньев; они оказываются при этом зависящими не от нормальных реакций, а непосредственно от приложенных внешних сил.

Поясним сказанное примером. На рис.5.2, а изображена кинематическая пара, образованная цилиндром 1 и плоскостью 2 . Сила тяжести цилиндра G уравновешивается нормальной реакцией N , являющейся равнодействующей элементарных нормальных сил, возникающих в точках контакта, лежащих на образующей цилиндра. Приложив к оси цилиндра горизонтальную внешнюю силу P , мы обнаружим, что при достаточно малой величине этой силы цилиндр останется в состоянии покоя. Это означает, что сила P уравновешивается горизонтальной составляющей реакции F , а момент P ּr – моментом M К , вектор которого направлен по образующей цилиндра. Таким образом

F = P , M К = P ּ r . (5.4)

Сила F и момент M К могут возникнуть только за счет сил трения, величина которых, как это видно из формулы (5.4), определяется только величиной силы P и не зависят от N . Однако, увеличивая силу P , мы обнаружим, что при некотором ее значении состояние покоя будет нарушено. Если сила P достигнет такой величины, при которой нарушится условие

где k – коэффициент трения качения, то начнется качение цилиндра по плоскости без скольжения. Скольжение начинается при нарушении условия

где f n – коэффициенттрения покоя, обычно несколько превышающий величину коэффициента трения скольжения f . Если k /r <f n , то сначала (при увеличении P ) начнется качение, а скольжение произойдет при большем значении P ; при k /r > f n будет наблюдаться обратная картина.

Отметим попутно, что возникновение момента M K связано с деформацией цилиндра и плоскости в зоне контакта (см. рис.5.2, б ) и появлением несимметрии в распределении нормальных сил, которая вызывает смещение их равнодействующей N в направлении вектора силы P .

Введение сил трения приводит к увеличению числа неизвестных компонент реакций кинематической пары, а количество уравнений кинетостатики при этом не возрастает. Для того, чтобы задача силового анализа осталась разрешимой, необходимо ввести дополнительные условия, количество которых равно числу неизвестных. Проще всего такие условия вводятся для высшей кинематической пары первого класса (рис.5.3). Пусть поверхности элементов пары деформируются под действием нормальной силы и касаются в малой окрестности точки А , а относительное движение звеньев определяется заданием скорости скольжения и вектора относительной угловой скорости . Направим ось z по общей нормали к поверхностям в точке А , а ось х – по линии действия вектора . Тогда все компоненты реакции выражаются через величину нормальной силы N . Используя соотношения (5.1), находим

где – компонента вектора угловой скорости, лежащая в плоскости хАy , а w t х и w t y – ее проекции на оси х и y . Формулы (5.7) выражают пять компонент реакций через шестую компоненту.

Получение аналогичных соотношений для пар с меньшей подвижностью является сложной задачей, поскольку в общем случае закон распределения нормальных реакций по поверхности или по линии соприкосновения остается неизвестным. Обычно дополнительные условия выбираются с учетом конструктивных особенностей элементов кинематической пары, позволяющих делать некоторые априорные предположения о характере распределения нормальных реакций.

Положение тела, совершающего плоскопараллельное движение, определяется в любой момент времени положением полюса и углом поворота вокруг полюса (см. § 52). Задачи динамики будут решаться проще всего, если за полюс принять центр масс С тела (рис. 327) и определять положение тела координатами и углом

На рис. 327 изображено сечение тела плоскостью, параллельной плоскости движения и проходящей через центр масс С. Пусть на тело действуют внешние силы лежащие в плоскости этого сечения. Тогда уравнения движения точки С найдем по теореме о движении центра масс

а вращательное движение вокруг центра С будет определяться уравнением (66), так как теорема, из которой получено это уравнение, справедлива и для движения системы вокруг центра масс. В результате, проектируя обе части равенства (70) на координатные оси, получим:

Уравнения (71) представляют собой дифференциальные уравнения плоскопараллельного движения твердого тела. С их помощью можно по заданным силам определить закон движения тела или, зная закон движения тела, найти главный вектор и главный момент действующих сил.

При несвободном движении, когда траектория центра масс известна, уравнения движения точки С удобнее составлять в проекциях на касательную и главную нормаль к этой траектории. Тогда вместо системы (71) получим:

где - радиус кривизны траектории центра масс.

Заметим, что если движение является несвободным, то в правые части уравнений (71) или (72) войдут еще неизвестные реакции связей. Для их определения надо будет составить дополнительные уравнения, отражающие те условия, которые налагаются на движение тела связями (см. задачу 151 и др.). Часто уравнения несвободного движения будут составляться проще с помощью теоремы об изменении кинетической энергии, которой можно воспользоваться вместо одного из уравнений (71) или (72).

Задача 151. Сплошной однородный круговой цилиндр скатывается по наклонной плоскости с углом наклона а (рис. 328). Определить ускорение центра цилиндра и наименьший коэффициент трения цилиндра о плоскость, при котором возможно качение без скольжения, в двух случаях: 1) пренебрегая сопротивлением качению; 2 учитывая сопротивление качению (коэффициент трения качения k и радиус цилиндра R известны).

Решение. 1. Изображаем действующие на цилиндр силы; силу тяжести наименьшую силу трения F, при которой возможно качение без скольжения, реакцию N плоскости, приложенную, когда сопротивление качению не учитывается, в точке касания.

Направим ось вдоль наклонной плоскости, а ось Оу - перпендикулярно ей.

Так как вдоль оси центр масс цилиндра не перемещается, то и первое из уравнений (71) дает

Составляя другие два уравнения системы (71), учтем, что и будем считать момент положительным, когда он направлен в сторону вращения цилиндра. Получим:

Уравнения (а) содержат три неизвестные величины ей F (здесь нельзя считать так как это равенство имеет место, когда точка касания скользит вдоль плоскости, а при отсутствии скольжения может быть см. § 23). Дополнительную зависимость между нризвестными величинами найдем, учитывая, что при качении откуда, дифференцируя, получим Тогда второе из равенств (а), если учесть, что для сплошного цилиндра примет вид

Подставляя это значение F в первое из равенств (а), получим

Теперь находим из выражения (б)

Такая сила трения должна действовать на катящийся цилиндр, чтобы он катился без скольжения. Выше было указано, что Следовательно, чистое качение будет происходить, когда

Если коэффициент треиия будет меньше этой величины, то сила F не может принять значения, определяемого равенством (), и цилиндр будет катиться с проскальзыванием. В этом случае не связаны зависимостью (точка касания не является мгновенным центром скоростей), но зато величина F имеет предельное значение, т. е. а, и уравнения (а) принимают вид:

Центр цилиндра в этом случае движется с ускорением а сам цилиндр вращается с угловым ускорением , значения которых определяются равенствами

2. При учете сопротивления качению реакция N будет смещена в сторону движения на величину k (расположена так, как на рис. 308, б) и ее момент относительно центра С будет равен Тогда второе из уравнений (а) примет вид

Остальные уравнения сохраняют свой вид, т. е. будет по-прежнему

Из уравнений учитывая, что и в данном случае наймем окончательно:

После этого из неравенства получим, что f должно иметь для обеспечения качения без скольжения значение

Задача 152. По шероховатой цилиндрической поверхности радиуса R (рис. 329) из положения, определяемого углом начинает катиться без скольжения сплошной однородный цилиндр радиусом . Пренебрегая сопротивлением качению, определить закон движения центра цилиндра, когда угол мал. Найти также, при каких значениях возможно качение без скольжения, если коэффициент трения цилиндра о поверхность

Решение. Рассмотрим цилиндр при его качении вниз (движение происходит в вертикальной плоскости). В положении, определяемом углом на цилиндр действуют сила тяжести сила трения скольжения F и реакция

Проведя касательную к траектории центра С (в сторону движения этого центра) и учтя, что для цилиндра составим первое и третье из уравнений в виде:

где - угловая скорость цилиндра.

Выразим все скорости через . Одновременно учтем, что в точке К. находится мгновенный центр скоростей. Тогда, поскольку при качении цилиндра вниз убывает и будет:

При этих значениях и уравнения (а) примут вид:

Исключая из равенств (б) силу F, найдем окончательно следующее дифференциальное уравнение, определяющее движение центра С:

Поскольку очевидно, что при движении цилиндра то, когда угол мал, можно приближенно принять . Тогда получим известное дифференциальное уравнение гармонических колебаний

В данной задаче при Интегрируя уравнения (в) при этих: начальных условиях, найдем следующий закон малых колебаний цилиндра:

Период этих колебаний

В заключение найдем условие качения без скольжения, учитывая, что (см. § 23). Значение F дает второе из равенств (б):

Но согласно уравнению (в) и так как то окончательно

Теперь заметим, что при малом часть цилиндрической поверхности, по которой катается цилиндр, можно рассматривать как часть горизонтальной плоскости и считать приближенно Тогда неравенство дает Так как наибольшее значение равно то при рассматриваемых малых колебаниях качение цилиндра будет происходить без скольжения, когда

Задача 153. Тело весом Р опирается в точке В на пьезоэлектрический датчик прибора, измеряющего силу давления, а в точке А поддерживается нитью AD (рис. 330). При равновесии линия АС горизонтальна, а давление в точке В равно Вычислить, чему равен момент инерции тела относительно оси, проходящей через его центр масс С, если в момент, когда нить пережигают, давление в точке В становится равным Расстояние l известно.

Решение. 1. В положении равновесия Отсюда находим

2. Когда нить пережигают, тело начинает двигаться плоскопараллельно. Для начального элементарного промежутка времени изменением положения тела можно пренебречь. Тогда уравнения (71), справедливые только для этого промежутка времени, будут иметь вид:

Так как то точка С начинает перемещаться по вертикали вниз, а точка В скользит горизонтально (трение в опоре считаем малым). Восставляя перпендикуляры к направлениям этих перемещений, находим, что мгновенный центр скоростей будет в точке К? Следовательно, Дифференцируя это равенство и считая в течение рассматриваемого элементарного промежутка времени , получим Тогда первое из уравнений (а) дает

Определяя отсюда , найдем окончательно

Полученный результат можно использовать для экспериментального определения моментов инерции.

Задача 154. Вес автомобиля с колесами равен Р (рис. 331); вес каждого из четырех его колес равен , радиус , радиус инерции относительно оси

К задним (ведущим) колесам приложен вращающийся момент . Автомобиль, начиная движение из состояния покоя, испытывает сопротивление воздуха, пропорциональное квадрату его поступательной скорости: . Момент трепня в оси каждого колеса . Пренебрегая сопротивлением качению, определить: 1) предельную скорость автомобиля; 2) силу трения скольжения, действующую на ведущие и ведомые колеса при движении.

Решение. 1. Для определения предельной скорости составим дифференциальное уравнение движения автомобиля, пользуясь равенством (49)

Кинетическая энергия автомобиля равна энергии кузова и колес. Учитывая, что Р - вес всего автомобиля, (так как скорость центра С колеса равна скорости у кузова), получим