Номер 4, страница 97 - гдз по физике 9 класс учебник Исаченкова, Сокольский

4. Тело массой $m$ находилось на горизонтальной поверхности в состоянии покоя. Используя график зависимости силы трения от внешней силы (см. рис. 141 на с. 94), опишите, как будет вести себя тело, если к нему приложат постепенно возрастающую горизонтальную силу $F$. Как при этом будет изменяться сила трения? Какого максимального значения она достигнет? Почему точка $B$ графика лежит ниже точки $A$?

Как будет вести себя тело, если к нему приложат постепенно возрастающую горизонтальную силу F. Как при этом будет изменяться сила трения?

Анализ поведения тела и изменения силы трения можно разделить на три этапа, которые иллюстрируются соответствующими участками на графике зависимости силы трения от внешней силы.

1. Участок покоя (на графике это восходящая прямая от начала координат до точки А). Пока приложенная горизонтальная сила $F$ меньше некоторого максимального значения, тело остается в состоянии покоя. В этом случае на тело действует сила трения покоя $F_{тр.покоя}$. Согласно первому закону Ньютона, она в точности уравновешивает внешнюю силу, то есть равна ей по модулю и противоположна по направлению: $F_{тр.покоя} = F$. Следовательно, по мере постепенного увеличения внешней силы $F$ от нуля, сила трения покоя также будет линейно возрастать от нуля. Тело при этом не двигается.

2. Момент начала движения (точка A на графике). Сила трения покоя не может расти бесконечно. Она достигает своего максимального значения $F_{тр.покоя.макс}$, которое соответствует точке A на графике. Как только внешняя сила $F$ превысит это значение, равновесие нарушится, и тело начнет движение.

3. Участок движения (на графике это горизонтальная линия, начинающаяся в точке B). В тот момент, когда тело приходит в движение, сила трения скачком уменьшается до значения силы трения скольжения $F_{тр.скольжения}$ (точка B на графике). При дальнейшем движении, в рамках упрощенной модели, сила трения скольжения считается постоянной и не зависящей от скорости тела. Если приложенная сила $F$ останется больше силы трения скольжения ($F > F_{тр.скольжения}$), тело будет двигаться с ускорением.

Ответ: Сначала тело будет оставаться в покое, а сила трения покоя будет расти, оставаясь равной приложенной силе. Когда приложенная сила достигнет максимального значения силы трения покоя, тело начнет двигаться. В момент начала движения сила трения уменьшится до значения силы трения скольжения и далее останется практически постоянной.

Какого максимального значения она достигнет?

Максимальное значение, которого достигает сила трения, — это максимальная сила трения покоя $F_{тр.покоя.макс}$. Это значение соответствует вершине графика (точка A) и определяется по формуле: $F_{тр.покоя.макс} = \mu_с N$, где $\mu_с$ — коэффициент трения покоя, а $N$ — сила нормальной реакции опоры. Для тела на горизонтальной поверхности сила реакции опоры равна силе тяжести: $N = mg$, где $m$ — масса тела, а $g$ — ускорение свободного падения.

Ответ: Сила трения достигнет максимального значения, равного максимальной силе трения покоя $F_{тр.покоя.макс}$.

Почему точка B графика лежит ниже точки A?

Точка A на графике соответствует максимальной силе трения покоя ($F_{тр.покоя.макс}$), а точка B — силе трения скольжения ($F_{тр.скольжения}$). Точка B лежит ниже точки A потому, что сила трения скольжения, как правило, меньше максимальной силы трения покоя: $F_{тр.скольжения} < F_{тр.покоя.макс}$.

Это явление объясняется на микроскопическом уровне. Поверхности тел, даже кажущиеся гладкими, имеют микронеровности (гребни и впадины). Когда тело покоится, неровности двух поверхностей входят в глубокий контакт, и между молекулами на участках фактического соприкосновения возникают силы межмолекулярного притяжения (своего рода "холодная сварка"). Чтобы сдвинуть тело с места, нужно приложить силу, достаточную для разрыва этих многочисленных связей (точка A). Когда же тело уже скользит, неровности не успевают "зацепиться" друг за друга так же сильно, как в состоянии покоя. Они проскакивают, и связи постоянно рвутся и образуются заново, но в среднем их прочность меньше. Поэтому сила, необходимая для поддержания движения (сила трения скольжения), оказывается меньше силы, необходимой для его начала.

Ответ: Точка B лежит ниже точки A, так как сила трения скольжения (соответствующая точке B) меньше максимальной силы трения покоя (соответствующей точке A). Физически это означает, что для поддержания движения тела требуется меньшая сила, чем для того, чтобы сдвинуть его с места.