Перш думали, що механізм тертя не складний: поверхня покрита нерівностями і тертя є результат підйому ковзних частин на ці нерівності; але це неправильно, адже тоді не було б втрат енергії, а насправді енергія на тертя витрачається.
Механізм втрат інший. І тут вкрай несподіваним виявляється, що емпірично це тертя можна наближено описати простим законом. Сила потрібна для того, щоб долати тертя і тягнути один предмет по поверхні іншого, залежить від сили, спрямованої по нормалі до поверхонь дотику.
Поверхня твердого тіла зазвичай володіє нерівностями. Наприклад, навіть у дуже добре відшліфованих металів в електронний мікроскоп видно «гори» і «западини» розміром в 100-1000A. При стисненні тел зіткнення відбувається тільки в найвищих місцях і площа реального контакту значно менше загальної площі дотичних поверхонь. Тиск в місцях зіткнення може бути дуже великим, і там виникає пластична деформація. При цьому площа контакту збільшується, а тиск падає. Так триває до тих пір, поки тиск не досягне певного значення, при якому деформація припиняється. Тому площа фактичного контакту виявляється пропорційною стискає силі.
У місці контакту діють сили молекулярного зчеплення (відомо, наприклад, що дуже чисті і гладкі металеві поверхні прилипають один до одного).
Ця модель сил сухого тертя (так називають тертя між твердими тілами), по-видимому, близька до реальної ситуації в металах.
Якщо тіло, наприклад, просто лежить на горизонтальній поверхні, то сила тертя на нього не діє. Тертя виникає, якщо спробувати зрушити тіло, прикласти до нього силу. Поки величина цієї сили не перевищує певного значення, тіло залишається в спокої і сила тертя дорівнює за величиною і протилежна за направленням доданої силі. Потім починається рух.
Може здатися дивним, але саме сила тертя спокою розганяє автомобіль. Адже при русі автомобіля колеса не прослизають щодо дороги, і між шинами і поверхнею дороги виникає сила тертя спокою. Як легко бачити, вона спрямована в бік руху автомобіля. Величина цієї сили не може перевищувати максимального значення тертя спокою. Тому якщо на слизькій дорозі різко натиснути на газ, то автомобіль почне буксувати. А ось якщо натиснути на гальма, то обертання коліс припиниться, і автомобіль буде ковзати по дорозі. Сила тертя змінить свій напрямок і почне гальмувати автомобіль.
Сила тертя при ковзанні твердих тіл залежить не тільки від властивостей поверхонь і сили тиску (це залежність якісно така ж, як для тертя спокою), але і від швидкості руху. Часто зі збільшенням швидкості сила тертя спочатку різко падає, а потім знову починає зростати.
Ця важлива особливість сили тертя ковзання якраз і пояснює, чому звучить скрипкова струна. Спочатку між смичком і струною немає прослизання, і струна захоплюється смичком. Коли сила тертя спокою досягне максимального значення, струна зірветься, і далі вона коливається майже як вільна, потім знову захоплюється смичком і т.д.
Подібні, але вже шкідливі коливання можуть виникнути при обробці металу на токарному верстаті внаслідок тертя між знімається стружкою і різцем. І якщо смичок натирають каніфоллю, щоб зробити залежність сили тертя від швидкості більш різкою, то при обробці металу доводиться діяти навпаки (вибирати спеціальну форму різця, мастило і т.п.). Так що важливо знати закони тертя і вміти ними користуватися.
Крім сухого тертя існує ще так зване рідке тертя, що виникає при русі твердих тіл в рідинах і газах і пов'язане з їх в'язкістю. Сили рідкого тертя пропорційні швидкості руху і звертаються в нуль, коли тіло зупиняється. Тому в рідини можна змусити тіло рухатися, прикладаючи навіть дуже маленьку силу. Наприклад, важку баржу на воді людина може привести в рух, відштовхуючись то дна жердиною, а на землі такий тягар йому, звичайно, не зрушити. Ця важлива особливість сил рідкого тертя пояснює, наприклад, той факт, чому автомобіль «заносить» на мокрій дорозі. Тертя стає рідким, і навіть невеликі нерівності дороги, що створюють бічні сили, призводять до «заносу» автомобіля.
Резюмуючи вищесказане можна зробити висновок, що виникнення тертя обумовлено, перш за все, шорсткістю поверхонь, що створює опір переміщенню, і наявністю зчеплення у притиснутих один до одного тіл. Вивчення всіх особливостей явища тертя представляє собою досить складну фізико-меха-нічних проблему, розгляд якої виходить за рамки курсу теоретичної механіки.
В інженерних розрахунках зазвичай виходять з ряду встановлених дослідним шляхом загальних закономірностей, які з достатньою для практики точністю відображають основні особливості явища тертя. Ці закономірності, звані законами тертя ковзання при спокої (законами Кулона), можна сформулювати наступним чином:
1. При прагненні зрушити одне тіло по поверхні іншого в площині зіткнення тіл виникає сила тертя (або сила зчеплення), величина якої може приймати будь-які значення від нуля до значення Fпр. званого граничною силою тертя.
Силою тертя ковзання (або просто силою тертя) називається складова сили реакції зв'язку, яка лежить в дотичній площині до поверхонь дотичних тіл.
Сила тертя спрямована в бік, протилежний тому, куди діючі сили прагнуть зрушити тіло.
У теоретичній механіці передбачається, що між поверхнями дотичних тіл немає змащуючого речовини.
Сухим тертям називається тертя, коли між поверхнями дотичних тіл немає змащуючого речовини.
Будемо розглядати два випадки: тертя при спокої або рівновазі тіла і тертя ковзання при русі одного тіла по поверхні іншого з деякою відносною швидкістю.
При спокої сила тертя залежить тільки від активних сил. При обраному напрямку дотичної в точці дотику поверхонь тіл сила тертя обчислюється за формулою:
Аналогічно при вибраному напрямку нормалі нормальна реакція виражається через задані сили:
При русі одного тіла по поверхні іншого сила тертя є постійною величиною.
2. Величина граничної сили тертя дорівнює добутку стати-чеського коефіцієнта тертя на нормальний тиск або нормаль-ву реакцію:
Статичний коефіцієнт тертя - число абстрактне 0<<1; он опре-деляется опытным путем и зависит от материала соприкасающихся тел и состояния поверхностей (характер обработки, температура, влажность, смазка и т. п.). Считается, что коэффициент трения не зависит от скорости движения.
3. Гранична сила тертя ковзання при інших рівних умов не залежить від площі зіткнення, що труться. З цього закону випливає, що для того щоб зрушити, наприклад цегла, треба докласти одну й ту ж саму, силу, незалежно, від того, який гранню він покладений на поверхню, широкої або вузької.
Об'єднуючи разом перший і другий закони, отримуємо, що при рівновазі сила тертя спокою (сила зчеплення)