Fyzika – obsah > Mechanika – teorie srozumitelně > Třecí síla — smykové tření
Do třídy přinesu na stůl prázdnou papírovou krabičku od čaje a těžší učebnici. Do krabičky i učebnice strčím přibližně stejnou silou.
Krabička na stole dojede o něco dál, než se zastaví.
Pak se třídy ptám, proč se zastavily. Odpovědi jsou shodné – tření, třecí síla.
Na čem závisí?
Žákyně a žáci často odpovídají, že na hmotnosti tělesa, velikosti plochy, kterou se dotýká podložky a na drsnosti ploch, kterými se těleso podložka dotýkají.
Na „drsnosti” ploch skutečně závisí (viz dále), ale na hmotnosti a velikosti plochy opravdu ne. Žákyně a žáci se sice bouří, ale pak uznají, že tomu tak skutečně je. Pojďme si situaci podrobněji rozebrat.
Krabičku položenou na stole přitahuje Země tíhovou silou.
Pro velikost tíhové síly platí FG = mg.
Tíhová síla v tomto případě přitlačuje krabičku k podložce. Čím větší je hmotnost, tím je krabička přitlačena větší silou – žáci tak v tomto případě mají pravdu, že tření závisí na hmotnosti.
Nakresleme si však další případ.
Krabičku přitlačujeme rukou ke zdi (ruka není na obrázku zakreslena). Jelikož síla ruky je větší než tíhová síla, těleso neklouže dolů.
Pokud budeme na krabičku tlačit o trochu méně, tíhová síla bude větší a krabička bude se třením klouzat po stěně se třením – objeví se třecí síla, která bude působit proti síle tíhové (brzdí krabičku v jejím pohybu dolů).
Pozn.: Působiště třecí síly by spíše mělo být uprostřed plochy tělesa, kterou se dotýká podložky. Pro větší přehlednost v obrázcích je však nakreslena na kraji.
Z obrázku je vidět, že třecí síla obecně nezávisí na hmotnosti, ale na síle, kterou je těleso přitlačené k podložce. Této síle se říká normálová, protože je k podložce vždy kolmá (normála je kolmice k dané rovině).
Pouze v případě rovnoběžné podložky se zemí, je „přítlačná” síla shodná s tíhovou, proto v tomto případě třecí síla závisí na hmotnosti.
Třecí síla je tedy tím větší, čím větší je síla normálová. Druhým faktorem, který ovlivňuje velikost třecí síly je hrubost a přilnavost styčných ploch.
Je vyjádřena koeficientem smykového tření — f.
Tento koeficient udává, jak moc k sobě molekuly krabičky a podložky lnou (jaká je vzájemná přilnavost molekul) a jak hrubý je povrch styčných ploch.
Čím větší je tento koeficient, tím větší je třecí síla. Vztah pro velikost třecí síla tak můžeme napsat ve tvaru
Vyjádříme-li si koeficient smykového tření
vidíme, že se jedná o veličinu bez jednotek (přesněji řečeno, fyzikální rozměr je roven 1) udávající poměr třecí a normálové síly.
A proč velikost třecí síly tedy nezávisí na ploše?
Ukážeme si to opět na obrázcích.
Z obrázků je zřejmé, že velikost tíhové, a v tomto případě tedy i normálové („přítlačné”) síly je stejná (krabička má pořád stejně hmoty); proto i třecí síla bude stejná.
Na obrázku vlevo se sice krabička stolů dotýká větší plochou, ale hmota krabičky je tím pádem rozložena do větší plochy. Na obrázku vpravo se krabička dotýká menší plochou, ale nad menší plochou je zas více hmoty (hmota krabička není tolik rozprostřena jako v prvním případě). Normálová síla je tak v obou případech stejná a tím je potom stejná i třecí síla.
A co třeba rychlost, nezáleží na ní velikost třecí síly?
Při malých rychlostech zůstává koeficient smykového tření stálý. Při větších rychlostech se snižuje. Tím se snižuje i třecí síla.
Jak měřit třecí sílu?
Stačí vzít siloměr a vzpomenout si na 1. Newtonův pohybový zákon. Siloměr zahákneme za těleso a táhneme těleso rovnoměrným pohybem (siloměr držíme ve stejném směru, jakým táhneme těleso). Pokud krabičku táhneme rovnoměrně, musí být podle 1. Newtonova pohybového zákona výslednice všech sil rovna nule. Tíhová síla se vyruší se sílou stolu a síla, kterou táhneme krabičku tak musí být stejně velká jako síla třecí. Jsou navzájem opačně orientované, proto se jejich silové účinky vyruší.
Hodnota jakou ukazuje siloměr je tedy velikost tažné a zároveň i třecí síly.
Pokud si to vyzkoušíme, zjistíme, že než uvedeme krabičku z klidu do pohybu, ukáže siloměr na chvilku větší hodnotu síly, než poté, co už krabičku táhneme rovnoměrným pohybem.
Mezi tělesem v klidu a podložkou totiž existuje klidová třecí síla, která je větší než třecí síla za pohybu. Jelikož normálová síla je stejná, musí být větší koeficient smykového tření.
Koeficient smykového tření v klidu (f0) je tedy větší než koeficient smykového tření v pohybu (f).
f0 > f
K „odlepení” tělesa je tedy nutno použít viditelně větší sílu, než je síla potřebná k tomu, abychom těleso táhli rovnoměrným pohybem po podložce.
Molekuly mezi tělesem a podložkou se totiž k sobě v klidu silněji vážou.
Pozn.: Problém velikosti koeficientu smykového tření v klidu a velikosti tahové síly při zrychlování tělesa uváděním z klidu do pohybu plánuji rozebrat v samostatné kapitole.
Další problematiku mechaniky najdete například v této učebnici fyziky z nakladatelství Prométheus.
Stáhnout jako PDF [109 kB]
∇ nabla 2010–2023. Fyzika optimalizovaná pro lidi.