Навчальна тема
Рівновага за наявності тертя
Як розв’язувати задачі рівноваги тіл із сухим тертям: визначити напрям сили тертя, перевірити Fтр ≤ μN і граничний стан та скласти рівняння рівноваги.
У задачах рівноваги за наявності тертя звичайні рівняння статики доповнюють умовами сухого тертя. Головна відмінність від гладкого контакту полягає в тому, що реакція шорсткої поверхні має нормальну та дотичну складові.
Схема вільного тіла
Реакцію шорсткого контакту зручно розкласти на нормальну реакцію $N$ і силу тертя $F_{fr}$. Нормальна складова перпендикулярна до поверхні, а сила тертя лежить у дотичному напрямі й протидіє можливому відносному ковзанню.
Послідовність перевірки
- Побудуйте схему вільного тіла та покажіть нормальну реакцію $N$ і силу тертя $F_{fr}$.
- Напрям сили тертя задайте проти можливого або передбачуваного відносного ковзання.
- Спочатку складіть звичайні рівняння рівноваги та визначте силу тертя, потрібну для спокою.
- Перевірте умову статичного тертя $|F_{fr}|\le\mu N$.
- Якщо нерівність виконується, рівновага за прийнятої моделі можлива. Якщо потрібна сила тертя перевищує $\mu N$, стан спокою неможливий.
- Лише для граничного стану перед ковзанням використовуйте рівність $|F_{fr}|=\mu N$.
Похила площина
Для тіла на похилій площині вага розкладається на складову вздовж площини $G\sin\alpha$ і нормальну складову $G\cos\alpha$. Якщо інших сил немає, для спокою потрібно $G\sin\alpha\le\mu G\cos\alpha$, тобто $\tan\alpha\le\mu$. Граничний кут відповідає куту тертя.
Напрям сили тертя
Напрям тертя визначають не за фактичним рухом, якого в задачі рівноваги немає, а за тенденцією до відносного ковзання без тертя. Якщо початкове припущення напряму виявилося протилежним, розраховане значення сили тертя буде від’ємним.
Гранична рівновага
Коли в умові сказано, що тіло перебуває на межі руху, починає ковзати або потрібно знайти мінімальну чи максимальну силу перед початком руху, зазвичай розглядають граничний стан $|F_{fr}|=\mu N$. Для звичайної рівноваги слід використовувати нерівність.
Приклад
Брусок вагою 1 кН лежить на горизонтальній поверхні з $\mu=0{,}25$. Горизонтальна сила 180 Н потребує сили тертя 180 Н. Оскільки $F_{fr,max}=0{,}25\cdot1000=250$ Н, рівновага можлива. Якщо горизонтальна сила зросте до 300 Н, статичне тертя вже не може забезпечити спокій.
Типові помилки
- відразу підставляти $F_{fr}=\mu N$ без ознаки граничного стану;
- не перевіряти отриману силу тертя за нерівністю;
- напрямляти тертя разом із тенденцією ковзання, а не проти неї;
- не враховувати зміну нормальної реакції через похилі зовнішні сили;
- застосовувати модель сухого тертя там, де умова задачі задає іншу модель контакту.
Про цю тему
Тема присвячена розв’язуванню задач рівноваги за наявності сухого тертя. Пояснюються вибір напряму сили тертя, перевірка граничної умови та спільне використання законів тертя й рівнянь статики.