Трение. Сила трения
Французский физик Гийом Амонтон (1663-1705), размышляя о роли трения, писал: «Всем нам случалось выходить в гололедицу: сколько усилий стоило нам, чтобы удерживаться от падения, сколько смешных движений приходилось нам проделывать, чтобы устоять!.. Представим, что трение исчезло вовсе. Тогда никакие тела, будь они величиной с каменную глыбу или малы, как песчинки, никогда не удержатся одно на другом: все будет скользить и катиться.. Не будь трения, Земля представляла бы собой шар без неровностей, подобный жидкой капле». Именно о силе трения пойдет речь в данном параграфе.
Узнаем о силе трения покоя
Если вы пытаетесь передвинуть тяжелое тело, например большой ящик, и не можете сдвинуть его с места, это означает, что силу, которую вы прикладываете к ящику, уравновешивает сила трения покоя, возникающая между полом и нижней поверхностью ящика (рис. 21.1).
Сила трения покоя ^ п — это сила, возникающая между двумя соприкасающимися телами при попытке сдвинуть одно тело относительно другого и направленная в сторону, противоположную той, в которую двигалось бы тело, если бы трения не было.
Сила трения покоя приложена вдоль поверхности, которой тело соприкасается с другим телом, и по значению равна силе Р, пытающейся сдвинуть тело с места(рис. 21.2):
При увеличении силы Р, которая пытается сдвинуть тело, увеличивается и сила трения покоя. Когда сила Р достигает такого значения, что тело вот-вот начнет движение, сила трения покоя максимальна. С началом движения сила трения покоя переходит в силу трения скольжения.
Таким образом, для каждого случая сила трения покоя не может превышать некоторого максимального значения.
Чаще всего действие силы трения покоя очень «полезно»: благодаря ей предметы не выскальзывают из рук, не развязываются узлы; эта сила удерживает песчинки в куче песка, тяжелые камни на склоне горы, корни растений в почве. Именно сила трения покоя является той силой, благодаря которой движутся люди, животные, транспорт (рис. 21.3).
В технике, на транспорте, в быту часто принимают меры, чтобы поверхность одного тела не двигалась относительно поверхности другого. Например, для увеличения максимальной силы трения покоя тротуары во время гололедицы посыпают песком, зимой автомобили «переобувают» в зимние шины.
Попробуйте привести еще несколько подобных примеров.
Выясняем, от чего зависит сила трения скольжения
Сила трения скольжения Ртр. ск — это сила, которая возникает при скольжении одного тела по поверхности другого и направлена в сторону, противоположную направлению движения тела.
Сила трения скольжения действует вдоль поверхности соприкосновения тел (рис. 21.4) и немного меньше максимальной силы трения
покоя. Именно поэтому тела сдвигаются с места рывком и сдвинуть их тяжелее, чем затем двигать. Это особенно заметно, когда тела массивные.
Прикрепим к деревянному бруску крючок динамометра и будем равномерно тянуть брусок по горизонтальной поверхности (рис. 21.5). На брусок в направлении его движения действует сила упругости со стороны пружины динамометра, а в противоположном направлении — сила трения скольжения. Брусок движется равномерно, поэтому сила упругости уравновешивает силу трения скольжения. Следовательно, динамометр показывает значение силы трения скольжения.
Рассмотрите рис. 21.5 и сделайте вывод о том, как зависит сила трения скольжения от свойств соприкасающихся поверхностей.
Обратите внимание: если провести те же опыты, перевернув брусок на меньшую грань, показания динамометра не изменятся. Сила трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.
Проведем еще один опыт. Положим на брусок дополнительный груз, увеличив таким образом силу нормальной реакции опоры (рис. 21.6). Опыт покажет, что сила трения скольжения возросла.
Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормальной реакции опоры*:
Этот закон был установлен французским ученым Г. Амонтоном и проверен его соотечественником Ш. Кулоном, поэтому получил название закон Амонтона — Кулона.
где N — сила нормальной реакции опоры; ц — коэффициент пропорциональности, который называют коэффициент трения скольжения.
Поскольку и силу трения скольжения, и силу нормальной реакции опоры измеряют в ньютонах, коэффициент трения скольжения — величина, не имеющая размерности:
Коэффициент трения скольжения определяется, в частности, материалами, из которых изготовлены соприкасающиеся тела, и качеством обработки их поверхностей.
Значения коэффициентов трения скольжения устанавливают экспериментально. Таблицы коэффициентов трения скольжения обычно содержат ориентировочные средние значения для пар материалов (см. таблицу).
Выясняем причины возникновения и способы уменьшения силы трения
Поверхности твердых тел всегда шероховатые, неровные. При движении или попытке движения неровности цепляются друг за друга и деформируются или даже сминаются. В результате возникает сила, противодействующая движению тела, — сила трения (рис. 21.7).
Сила трения, как и сила упругости, — проявление сил межмолекулярного взаимодействия.
Казалось бы, для уменьшения силы трения нужно тщательно отполировать поверхности и таким образом свести неровности к минимуму. Однако в таком случае поверхности будут настолько плотно прилегать друг к другу, что значительное количество молекул окажется на расстоянии, на котором становится существенным межмолекулярное притяжение. В результате сила трения возрастет*.
Силу трения скольжения можно уменьшить, смазав соприкасающиеся поверхности.
Смазка (как правило, жидкая), попав между соприкасающимися поверхностями, отдалит их друг от друга. То есть будут скользить не поверхности тел, а слои смазки, — трение скольжения (так называемое сухое трение) сменится вязким (жидким) трением, при котором сила трения значительно меньше.
Исследование трения и обоснование причин его возникновения достаточно сложны и выходят за рамки школьного курса физики.
Узнаем о силе трения качения
Давний опыт человечества показывает, что, например, каменную глыбу легче перекатить на бревнах, чем просто тащить по земле.
Если одно тело катится вдоль поверхности другого, то мы имеем дело с трением качения. Сила трения качения обычно намного меньше, чем сила трения скольжения(рис. 21.8, 21.9). Поэтому для уменьшения силы трения люди издавна используют колесо, а в различных механизмах — подшипники (рис. 21.10).
Учимся решать задачи
Задача. Чтобы равномерно двигать по столу книгу массой 1 кг, нужно приложить горизонтальную силу 2 Н. Чему равен коэффициент трения скольжения между книгой и столом?
Анализ физической проблемы.Выполним пояснительный рисунок, на котором изобразим все силы, действующие на книгу:
Книга движется равномерно, следовательно, силы, действующие на нее, попарно скомпенсированы:
Исходя из
этого и найдем искомый коэффициент трения.
Проверим единицу, найдем значение искомой величины:
Анализ результатов: коэффициент трения 0,2 соответствует паре «дерево по дереву»; результат правдоподобен.
Ответ: р=0,2.
Подводим итоги
Сила трения покоя (^тр п) — это сила, возникающая между двумя соприкасающимися телами при попытке сдвинуть одно тело относительно другого. Сила трения покоя всегда препятствует появлению относительного движения соприкасающихся тел; она равна по значению и противоположна по направлению силе F, пытающейся сдвинуть тело с места: ^тр п = ^
Сила трения скольжения ^тр. ск ) — это сила, возникающая при скольжении одного тела по поверхности другого. Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормальной реакции опоры Ы: Fτp. ск = р.2У, где р — коэффициент трения скольжения, зависящий от материалов, из которых изготовлены соприкасающиеся тела, качества обработки их поверхностей. Смазка поверхностей существенно уменьшает силу трения.
При качении одного тела по поверхности другого возникает сила трения качения, которая обычно меньше силы трения скольжения.
Контрольные вопросы
1. Какие виды трения вы знаете? 2. Какая сила мешает сдвинуть с места большой шкаф? Куда направлена эта сила? 3. Почему силу трения покоя называют движущей силой? 4. Зачем зимой тротуары посыпают песком?
5. Когда наблюдается сила трения скольжения и от каких факторов она зависит? 6. Почему в таблице коэффициентов трения скольжения представлены пары материалов, а не каждый материал отдельно? 7. Почему возникает сила трения скольжения? 8. Как можно уменьшить силу трения скольжения? 9. Почему круглое тело легче катить, чем тащить?
Упражнение № 21
1. Действует ли сила трения на книгу, неподвижно лежащую на горизонтальной поверхности стола?
2. Чтобы открутить гайку, необходимо приложить силу. Почему гайка открутится намного легче, если винт, на который она накручена, смазать?
3. К бруску, расположенному на поверхности стола, с помощью динамометра прикладывают горизонтальную силу 3 Н. Брусок при этом движется равномерно в направлении действия силы.
а) Чему равна сила трения, действующая на брусок?
б) Как будет вести себя брусок и какой будет сила трения, если динамометр будет показывать 2 Н?
4. Пытаясь сдвинуть с места шкаф, к нему прикладывают постепенно увеличивающуюся горизонтальную силу. Шкаф начал двигаться, когда сила достигла 175 Н.
а) Как изменялась сила трения между шкафом и полом?
б) Что будет происходить, если продолжить увеличивать силу?
в) Каков коэффициент трения скольжения между шкафом и полом, если масса шкафа равна 70 кг?
5. С помощью пружины жесткостью 96 Н/м брусок массой 2,4 кг равномерно тянут по столу. Определите удлинение пружины, если коэффициент трения между бруском и столом равен 0,2.
6. Составьте задачу, обратную задаче, рассмотренной в § 21, и решите ее. Заметьте, что значения физических величин в условии и полученный результат должны быть реальными.
7. Уменьшение трения благодаря расположению твердых катков между тяжелым телом и поверхностью земли хорошо известно. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и подготовьте сообщение о соответствующих исторических примерах.
8. Заполните таблицу.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9
Тема. Определение коэффициента трения скольжения.
Цель: определить коэффициент трения скольжения дерева по дереву. Оборудование: деревянный брусок; деревянная доска (трибометр); набор грузов; динамометр.
УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ Подготовка к эксперименту
1. Прежде чем приступить к выполнению работы, вспомните ответы на следующие вопросы.
1) От каких факторов зависит сила трения скольжения и куда она направлена?
2) По какой формуле вычисляют силу трения скольжения?
2. Определите цену деления шкалы динамометра.
Эксперимент
Строго придерживайтесь инструкции по безопасности (см. форзац). Результаты измерений сразу заносите в таблицу.
1. Подвесьте брусок к динамометру; измерьте вес бруска — во время эксперимента он будет равен силе нормальной реакции опоры
(=р.
2. Прикрепив брусок к крючку динамометра, положите брусок широкой стороной на горизонтально расположенную доску. Равномерно перемещайте брусок вдоль доски (см. рисунок). По показанию динамометра определите силу трения скольжения
3. Повторите эксперимент еще три раза, положив на брусок сначала один груз, затем одновременно два груза, а затем одновременно три груза
обработка результатов эксперимента
Для каждого опыта вычислите коэффициент трения скольжения
по формуле:
результаты занесите в таблицу.
Анализ эксперимента и его результатов
Сделайте вывод, в котором укажите: 1) какую физическую величину вы измеряли; 2) зависит ли коэффициент трения скольжения от веса тела; 3) совпадают ли полученные результаты с табличным значением коэффициента трения скольжения дерева по дереву; 4) какие факторы повлияли на точность эксперимента.
творческое задание
Запишите план проведения эксперимента, который подтверждает, что коэффициент трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей. Проведите этот эксперимент.
Задание «со звездочкой»
Для опыта 1:
а) определите относительную погрешность измерения силы трения скольжения и силы реакции опоры:
Здесь
цена деления шкалы динамометра; б) определите относительную и абсолютную погрешности измерения коэффициента трения скольжения:
Задания для самопроверки к разделу 3 «Взаимодействие тел. Сила». Часть I. Сила. Виды сил
В заданиях 1-8 выберите один правильный ответ.
1. (1 балл) Если на тело не действуют другие тела, то тело движется:
а) прямолинейно с уменьшающейся скоростью;
б) прямолинейно с увеличивающейся скоростью;
в) равномерно по криволинейной траектории;
г) равномерно прямолинейно.
2. (1 балл) Деформация тела является причиной возникновения силы:
а) тяжести; б) упругости; в) трения скольжения; г) трения покоя.
3. (1 балл) Сила тяжести — это:
а) сила притяжения тела к Земле;
б) сила, возникающая при любой деформации тела;
в) сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес;
г) сила, возникающая при скольжении тела.
4. (1 балл) На чашах уравновешенных весов лежат два кубика (рис. 1). Одинаковы ли плотности веществ, из которых изготовлены кубики?
а) да;
б) нет, плотность кубика 1 меньше плотности кубика 2;
в) нет, плотность кубика 1 больше плотности кубика 2;
г) определить невозможно.
5. (2 балла) Одно из самых крупных насекомых обитает в Новой Зеландии (рис. 2). Его масса достигает 80 г.
С какой силой Земля притягивает это насекомое?
а) 8 мН; б) 80 мН; в) 0,8 Н; г) 8 Н.
6. (2 балла) Чтобы растянуть недеформированную пружину на 5 см, требуется приложить силу 15 Н. Какова жесткость пружины?
а) 0,3 Н/м; в) 75 Н/м;
б) 3 Н/м; г) 300 Н/м.
7. (2 балла) Шарик подвешен к динамометру (рис. 3).
Чему равна масса шарика?
а) 3,5 г; б) 35 г; в) 350 г; г) 3,5 кг.
8. (2 балла) Масса тела объемом 1 см3, изготовленного из золота, больше, чем масса свинцового тела того же объема, на:
а) 8,0 г; б) 11,3 г; в) 8 кг; г) 11,3 кг.
9. (2 балла) На рис. 4 изображены силы, действующие на тело, которое с помощью динамометра равномерно перемещают по столу в горизонтальном направлении.
Назовите эти силы. Сравните их.
10. (3 балла) На кирпич массой 8 кг, лежащий на полу, положили такой же кирпич (рис. 5). Выполните схематический рисунок в тетради и изобразите силы, действующие на нижний кирпич. Масштаб: 1 см — 40 Н.
11. (3 балла) Установите соответствие между названием силы и явлением, происходящим благодаря действию этой силы.
А Сила упругости 1 Гепард разгоняется во время охоты
Б Сила трения 2 Самолет осуществляет полет
скольжения 3 Конькобежец тормозит после финиша
В Сила трения покоя 4 Капли дождя скатываются с крыши Г Сила тяжести 5 Стрела набирает скорость при выстреле
12. (3 балла) Ведро объемом 12 л наполнили водой на треть. С какой силой ведро давит на пол? Массой ведра пренебречь.
13. (3 балла) В пустой мерный цилиндр налили жидкость (рис. 6). Сила тяжести, которая действует на жидкость, равна 1,75 Н. Определите, какую жидкость налили в цилиндр.
14. (4 балла) Чтобы сани равномерно двигались по горизонтальной дороге, к ним нужно прикладывать горизонтальную силу 500 Н. Определите массу саней, если коэффициент трения между санями и дорогой равен 0,2.
15. (4 балла,) На рис. 7 представлен график зависимости удлинения пружины от массы подвешенного к ней груза. Определите жесткость пружины.
16. (4 балла) Чтобы получить латунь, переплавили медь объемом 0,2 м3 и цинк объемом 50 дм3. Какова плотность полученной латуни? Объем сплава равен сумме объемов его составных частей.
Сверьте ваши ответы с приведенными в конце учебника. Отметьте
задания, которые вы выполнили правильно, и подсчитайте сумму баллов.
Потом эту сумму разделите на три. Полученное число будет соответствовать уровню ваших учебных достижений.
Тренировочные тестовые задания с компьютерной проверкой вы найдете на электронном образовательном ресурсе «Интерактивное обучение».
Автор: admin от 24-01-2017, 07:52, Переглядів: 7513