Трение рассматривается как максимальная потенциальная сила, потому что ее величина проявляется только при «активации», т. е. попытке двигать один предмет по другому. На рис. 2.25,а большой ящик, весящий 100 кг, стоит на полу.
Рис. 2.25. На ящик действуют сила тяжести (СТ) и «пол-ящик» (ПЯ). Сила трения не существует, поскольку на данный момент не имеет размерности (a). Сила человека, толкающего ящик (ЧЯ), создает противодействующую силу трения (FN) (b)
Оценивая равновесие ящика, его максимальная потенциальная сила трения (FN) является произведением коэффициента трения покоя деревянного ящика по деревянному полу (0,25) и силы контакта или реакции «пол-ящик» (ПЯ) в 100 кг:
FN <= 0,25 х 100;
FN <= 25 кг.
Если никакие другие силы на ящик не действуют, то трение отсутствует. Однако если в направлении влево прикладывается внешняя движущая сила (человек толкает ящик), величина трения увеличивается, чтобы уравновесить или противостоять величине силы сдвига (рис. 2.25,b). В этом случае трение может увеличиваться только до силы в 25 кг, направленной вправо; сила сдвига, превышающая 25 кг, вызовет ускорение ящика влево, поскольку влево уже будет направлена абсолютная величина неуравновешенной силы. Заметим, что на горизонтальное равновесие ящика влияют только силы, действующие на него горизонтально.
Когда объект приходит в движение, трение между двумя объектами становится величиной постоянной, равной произведению силы реакции и коэффициента кинетического трения (μK). Коэффициент кинетического трения меньше, чем максимальная величина трения покоя при любых сочетаниях трущихся поверхностей. Сила сдвига, пытающаяся переместить предмет, должна быть большей, чем максимальное значение статического трения, тогда движение начнется (в направлении движения должна быть приложена хотя бы небольшая неуравновешенная сила). Однако после начала движения величина трения падает с максимального потенциального значения до минимального кинетического значения, что резко увеличивает абсолютное значение неуравновешенной равнодействующей, даже если внешняя сила сдвига не меняется. Резкое уменьшение величины трения приводит к классической ситуации, когда человек толкает тяжелый предмет все сильнее и сильнее, пытаясь сдвинуть его с места, и внезапно обнаруживает, что они с ящиком уже куда-то летят. Опять же, обращая внимание на более тщательную формулировку закона равновесия Ньютона, заметим, что ящик, который толкают по полу, не находится в горизонтальном равновесии, но сохраняет равновесие вертикальное (СТ и ПЯ уравновешены). Не следует при этом допускать, что вертикальное и горизонтальное равновесие обязательно сопутствуют друг другу:
• трение может возникать при соприкосновении двух предметов;
• трение начинает обладать величиной, только когда на предмет воздействует сила смещения;
• силы трения (как и все силы) являются парными, действуют на каждый из находящихся в контакте предметов, равны по величине и противоположны по направлению;
• линия действия силы трения всегда параллельна поверхностям контакта;
• направление силы трения предмета всегда противоположно направлению потенциального или относительного движения предметов;
• сила трения и соответствующая сила смещения, действующие на предмет, составляют одну и ту же линейную систему сил.
В примере с ногой на вытяжке (см. рис. 2.24), если бы нога спокойно лежала на постели, то можно было бы добавить вертикальную контактную силу («постель-нога»), которая противостояла бы силе тяжести (СТ), но при этом следовало бы добавить и потенциальную силу трения. Потенциальная сила трения была бы параллельна контактным поверхностям (ноге и постели) и была бы горизонтальной силой, действующей в направлении, противоположном потенциальному движению голени от бедренной кости, т. е. «трение-нога» была бы противоположна силе сдвига, пытающейся сдвинуть ногу на постели (ВН).