Сила трения, удерживающая кусок дерева в состоянии покоя

В предыдущем видео мы рассматривали объект массой 10 кг, находящийся на наклонной прямой, расположенной под углом в 30°. Чтобы определить, что произойдет с этим блоком, мы разбили силу тяжести, действующую на этот блок, на компоненты, один из которых параллелен поверхности, а другой – перпендикулярен этой же поверхности, и мы нашли, что величина перпендикулярного компонента равна 49 *√3Н. Мы умножили 98 на это число, вот здесь. Но затем отметили, что этот блок льда не будет падать вниз, потому что плоскость держит его. Значит, на блок должна действовать противодействующая сила, которая является силой нормальной реакции этой плоскости, оказанной на блок льда. И она будет противоположна гравитации в этом направлении. Это есть сила нормальной реакции плоскости. И они совершенно уравнивают друг друга в этом перпендикулярном направлении. И мы также видим, что этот блок не двигается ни в этом направлении, ни в этом. Но один из компонентов гравитации, который не уравновешивается другой силой (по крайней мере по условию этой задачи, которую мы начали решать в предыдущем видео), – это вот эта сила или компонент, который параллелен поверхности данной плоскости. И мы вычислили, что эта сила равна 49Н, для чего просто умножили вес блока на синус этого угла. И затем мы сказали, что больше нет никаких других сил, действующих на блок, а значит, он будет двигаться с ускорением в этом направлении. И, чтобы найти это ускорение, нам надо взять силу, приложенную в этом направлении, и разделить её на массу блока, и мы получим 4,9 м/с^2. Теперь давайте представим, что этого не произошло. Давайте скажем, что блок, находящийся на этой плоскости, не двигается. И теперь, чтобы избежать споров, давайте допустим, что это не ледяной блок, находящийся на ледяной поверхности. Давайте предположим, что оба этих предмета сделаны из дерева. И вдруг мы получили ситуацию, в которой этот блок неподвижен. Если он не двигается, то что тогда неизбежно в данной ситуации? Мы уже сказали, что если блок не двигается в этом нормальном направлении, то тогда общая сила, оказанная на него в этом направлении, будет равна 0. Но если он не двигается ни в одном из направлений, тогда сумма сил, параллельных плоскости, также должна быть равна 0. Выходит, в системе должна быть какая-то сила, которая противодействует этим 49Н, из-за которых блок должен был двигаться по этой плоскости вниз. Значит, должна быть сила, противодействующая силе гравитации, из-за которой блок начал бы двигаться вниз. Вопрос заключается в следующем: что это будет за сила? Теперь мы разбираем ситуацию, в которой этот блок неподвижен, то есть он не будет ускоряться вниз. Тогда что это за сила? Я думаю, что вы знаете, в чем заключается разница между деревянным блоком, находящимся на деревянной плоскости, и ледяным блоком, находящимся на ледяной плоскости. Блок льда, находящийся на ледяной поверхности, более скользкий, так как между льдом и льдом не возникает сила трения, но она возникает между двумя деревянными предметами. Чтобы сделать эту ситуацию более реальной, давайте представим, что мы положили наждачную бумагу на эту поверхность. И тогда все становится понятнее. Сила, которая удерживает этот блок от скольжения вниз в данной ситуации, – это сила трения, и она всегда направлена противоположно движению, если нет никакого другого трения или потенциального ускорения; если нет никаких других действий. Тогда чему будет равна сила трения в этом случае? Ну, этот блок не двигается. Он не ускоряется вниз по склону. Значит сила трения будет равна 49Н, и она будет направлена вверх по склону. Теперь, мы можем подтвердить это экспериментально, по крайней мере, если вы как-то можете измерить силу, то вы можете провести этот эксперимент. Но самое интересное здесь – это какую силу мне надо приложить к блоку, чтобы он начал двигаться вниз по склону? С какой силой мне нужно его толкать? Допустим, мы можем экспериментально определить, что если мы приложим хотя бы ещё 1Н к этому блоку, тогда мы сможем сдвинуть его вниз. Разумеется, он будет двигаться не так, как обычно, но мы хотя бы сможем его сдвинуть, если мы будем прикладывать силу, равную 1Н, в этом направлении. Тогда чему будет равна общая сила… она равна 1Н. Значит общая сила, которая действует на этот блок, чтобы немного сдвинуть его… Я назову ее силой сдвига… Запомните: это не традиционное определение F с индексом В. Эта сила направлена параллельно этому направлению. И если я приложу ещё 1 ньютон в этом направлении, а у нас здесь уже действует сила в 49Н из-за компоненты гравитации в этом направлении, тогда сила сдвига будет равна 50 Н. И это интересно: ведь теперь мы можем определить, основываясь на всей этой информации, какую силу нам надо приложить к блоку, чтобы преодолеть силу трения. В нашем случае она будет равна силе сдвига. Это понятие, которое я выдумал. И мы можем составить интересное отношение, которое всегда работает. Это отношение количества силы, необходимой, чтобы сдвинуть блок, к количеству силы между двумя объектами, между тем, какое количество силы они оказывают друг на друга. И в нашем случае количество силы, которое оказывает поверхность склона на блок, равно силе нормальной реакции, то есть 49 корням из 3 ньютонов. Скорее всего, мне нужно будет модуль силы сдвига разделить на модуль силы, которая создается из-за прикосновения этих двух объектов – в нашем случае она равна 49 корням из 3 ньютонов. Разделить на модуль нормальной силы, и она равна 49 корней из 3. Эта величина называется статическим коэффициентом трения. Мы будем использовать его достаточно часто в других задачах. Он постоянен для определенных материалов, поэтому, если в будущем вам в задаче даны различные массы предметов и различные наклоны прямой, но предметы сделаны из одного и того же материала, при известном значении нормальной силы, мы можем просто найти силу сдвига. Мы можем найти, сколько силы потребуется приложить, если нам известно это значение, которое обычно определяется экспериментально. Тогда чему будет равно это значение? 50 ньютонов разделить на 49 корней из 3 ньютонов. Давайте достанем калькулятор. Значит 50 / (40 *√3). Получаем 0,72… Я округлю это число до двух цифр… Это будет равно 0,72. И теперь мы можем использовать эту информацию. Это статический коэффициент трения. Он так называется, потому что равен отношению силы трения к силе нормальной реакции. То есть сила, необходимая для преодоления силы трения, которая образуется при тесном соприкосновении 2 неподвижных объектов… Я посвящу целое видео о том, как значение в этой ситуации, где объект не движется, будет отличаться, от значения в другой ситуации, где он находится в движении. Во многих случаях они будут очень близки друг к другу, но для определенных материалов мы можем наблюдать заметную разницу коэффициентов трения: когда объект не двигается, и когда он находится в движении. Я хотел бы закончить на этом. В следующих нескольких видео мы будем использовать коэффициент трения или будем его высчитывать, чтобы решить ещё больше задач.