Работа силы трения
Работа силы трения обычно отрицательна: сила трения направлена противоположно перемещению тела и поэтому уменьшает его механическую энергию. Потеря механической энергии переходит главным образом во внутреннюю энергию соприкасающихся тел, то есть в нагревание.
Чтобы правильно определить знак работы, сначала сравните направления силы и перемещения. Если тело скользит по горизонтальной поверхности, сила трения направлена против скорости и перемещения. В рамках работы силы это означает, что \(\cos 180^\circ=-1\). Поэтому механическая энергия тела уменьшается. Сама сила трения при этом может быть постоянной или изменяться.
При сухом скольжении по горизонтальной поверхности \(F_{тр}=\mu N\), где \(\mu\) — коэффициент трения, а \(N\) — сила нормальной реакции опоры. Если поверхность горизонтальна и вертикальные силы уравновешены, \(N=mg\), поэтому \(A_{тр}=-\mu mgs\). Минус показывает не направление силы как таковое, а то, что работа силы трения уменьшает кинетическую энергию или механическую энергию системы.
Ящик массой \(10\ \text{кг}\) протащили на \(5\ \text{м}\) по горизонтальному полу. При \(\mu=0{,}2\) и \(g\approx10\ \text{м/с}^2\) сила трения равна \(F_{тр}=\mu mg=20\ \text{Н}\). Работа трения: \(A_{тр}=-20\cdot5=-100\ \text{Дж}\). Механическая энергия ящика уменьшилась на \(100\ \text{Дж}\).
Работа силы трения отрицательна при скольжении, но это не означает, что сила трения всегда бесполезна. Например, при ходьбе трение покоя помогает человеку разгоняться, а его работа над точкой контакта может быть равна нулю. Также не следует автоматически считать отрицательной работу любой силы, связанной с сопротивлением: знак определяется углом между силой и перемещением.
Тело скользит вправо, а сила трения направлена влево. Какова работа силы трения?
В задачах на энергетический метод отрицательную работу трения учитывают как убыль механической энергии: \(E_{м2}-E_{м1}=A_{тр}\), если других неконсервативных сил нет. Это связано с законом сохранения механической энергии и помогает решать задачи без подробного анализа движения.
Главное
- При скольжении сила трения направлена против перемещения, поэтому \(A_{тр}<0\).
- Для постоянной силы трения \(A_{тр}=-F_{тр}s\); на горизонтали часто \(A_{тр}=-\mu mgs\).
- Отрицательная работа трения означает уменьшение механической энергии и переход части энергии во внутреннюю.