Цель : Закрепить полученные знания о трении и о видах трения.
Ход работы:
1.
Изучить теоретическую часть
2.
Заполнить таблицу 1.
3.
Решить задачу по варианту из таблицы 2.
4.
Ответить на контрольные вопросы.
Таблица 1
Таблица 2
|
Конькобежец проезжает по гладкой горизонтальной поверхности льда по инерции 80 м. Определить силу трения и начальную скорость, если масса конькобежца 60 кг, а коэффициент трения 0,015 |
|
|
Тело массой 4,9 кг лежит на горизонтальной плоскости. Какую силу надо приложить к телу в горизонтальном направлении, чтобы сообщить ему ускорение 0,5 м/с 2 при коэффициенте трения 0,1? |
|
|
На горизонтальном столе лежит деревянный брусок массой 500 г, который приводится в движение грузом массой 300 г, подвешенным на вертикальном конце нити, перекинутой через блок, закрепленный на конце стола. Коэффициент трения при движении бруска равен 0,2. С каким ускорением будет двигаться брусок? |
Сила трения - это сила, возникающая между поверхностями соприкасающихся тел. Если между поверхностями отсутствует смазка, то трение называется сухим. Сила сухого трения прямо пропорциональна силе, прижимающей поверхности друг к другу и направлена в сторону, противоположную возможному движению. Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом трения. Прижимающая сила перпендикулярна поверхности. Она называется нормальной реакцией опоры.
Законы трения в жидкостях и газах отличаются от законов сухого трения. Трение в жидкости и газе зависит от скорости движения: при малых скоростях оно пропорциональной квадрату, а при больших - кубу скорости.
Формулы для решения:
Где "k" - коэффициент трения, "N" - нормальная реакция опоры.
Второй закон Ньютона и уравнения движения в векторной форме. F = ma
По третьему закону Ньютона N = - mg
выражение для скорости
Уравнения движения для равноускоренного кинематического движения
; 0 - V = a t где 0 – конечная скорость V – начальная скорость
Алгоритм решения типовой задачи:
1. Кратко записываем условие задачи.
2. Изображаем условие графически в произвольной системе отсчета, указав действующие на тело (точку) силы, в том числе, нормальную реакцию опоры и силу трения, скорость и ускорение тела.
3. Корректируем и обозначаем на рисунке систему отсчета, вводя начало отсчета времени и уточняя оси координат для сил и ускорения. Лучше направить одну из осей вдоль нормальной реакции опоры, а отсчет времени начать в момент нахождения тела (точки) в нуле координат.
4. Записываем в векторной форме второй закон Ньютона и уравнения движения. Уравнения движения и скорости - это зависимости перемещения (пути) и скорости от времени.
5. Записываем в эти же уравнения в скалярной форме: в проекциях на оси координат. Записываем выражение для силы трения.
6. Решаем уравнения в общем виде.
7. Подставляем величины в общее решение, вычисляем.
8. Записываем ответ.
Теоретическая часть
Трением называется сопротивление соприкасающихся тел движению друг относительно друга. Трением сопровождается каждое механическое движение, и это обстоятельство имеет существенное следствие в современном техническом прогрессе.
Сила трения есть сила сопротивления движению соприкасающихся тел друг относительно друга.Трение объясняется двумя причинами: неровностями трущихся поверхностей тел и молекулярным взаимодействием между ними. Если выйти за пределы механики, то следует сказать, что силы трения имеют электромагнитное происхождение, как и силы упругости. Каждая из указанных выше двух причин трения в разных случаях проявляет себя в разной мере. Например, если соприкасающиеся поверхности твердых трущихся тел имеют значительные неровности, то основная слагаемая в возникающей здесь силе трения будет обусловлена именно данным обстоятельством, т.е. неровностью, шероховатостью поверхностей трущихся тел.Тела, перемещающиеся с трением друг относительно друга, должны соприкасаться поверхностями или двигаться одно в среде другого. Движения тел друг относительно друга может и не возникнуть из-за наличия трения, если движущая сила меньше максимальной силы трения покоя. Если соприкасающиеся поверхности твердых трущихся тел отлично отшлифованы и гладки, то основная слагаемая возникающей при этом силы трения будет определяться молекулярным сцеплением между трущимися поверхностями тел.
Рассмотрим более детально процесс возникновения сил трения скольжения и покоя на стыке двух соприкасающихся тел. Если посмотреть на поверхности тел под микроскопом, то будут видны микронеровности, которые мы изобразим в увеличенном виде (рис. 1, а).Рассмотрим взаимодействие соприкасающихся тел на примере одной пары неровностей (гребень и впадина) (рис. 3, б). В случае, когда сила, пытающаяся вызвать движение, отсутствует, характер взаимодействия на обоих склонах микронеровностей аналогичный. При таком характере взаимодействия все горизонтальные составляющие силы взаимодействия уравновешивают друг друга, а все вертикальные про суммируются и составляют силу N (реакция опоры) (рис. 2, а).
Иная картина взаимодействия тел получается, когда на одно из тел начинает действовать сила. В этом случае точки контакта будут преимущественно на левых по рисунку «склонах». Первое тело будет давить на второе. Интенсивность этого давления характеризуется силой R". Второе тело в соответствии с третьим законом Ньютона будет действовать на первое тело. Интенсивность этого действия характеризуется силой R (реакция опоры). Силу R
можно разложить на составляющие: силу N, направленную перпендикулярно поверхности соприкосновения тел, и силу Fсц, направленную против действия силы F (рис. 2, б).
После рассмотрения взаимодействия тел следует обратить внимание на два момента.
1) При взаимодействии двух тел в соответствии с третьим законом Ньютона возникают две силы R и R"; силу R для удобства ее учета при решении задач мы раскладываем на составляющие N и Fсц (Fтр в случае движения).
2) Силы N и F Tp имеют одну и ту же природу (электромагнитное взаимодействие); иначе и быть не могло, так как это составляющие одной и той же силы R.
Весьма важное значение в современной технике для снижения вредного влияния сил трения имеет замена трения скольжения трением качения. Сила трения качения определяется как сила, необходимая для равномерного прямолинейного качения тела по горизонтальной плоскости. Опытом установлено, что сила трения качения вычисляется по формуле:
где F-сила трения качения; к-коэффициент трения качения; Р-сила давления катящегося тела на опору и R-радиус катящегося тела.
Из практики очевидно, из формулы ясно, что чем больше радиус катящегося тела, тем меньшее препятствие оказывают ему неровности поверхности опоры.
Заметим, что коэффициент трения качения, в отличие от коэффициента трения скольжения, именованная величина и выражается в единицах длины - метрах.
Заменяется трение скольжения трением качения, в необходимых и возможных случаях, заменой подшипников скольжения на подшипники качения.
Существует внешнее и внутреннее трение (иначе называемое вязкостью). Внешним называют такой вид трения, при котором в местах соприкосновения твердых тел возникают силы, затрудняющие взаимное перемещение тел и направленные по касательной к их поверхностям.
Внутренним трением (вязкостью) называется вид трения, состоящий в том, что при взаимном перемещении. Слоев жидкости или газа между ними возникают касательные силы, препятствующие такому перемещению.
Внешнее трение подразделяют на трение покоя (статическое трение) и кинематическое трение. Трение покоя возникает между неподвижными твердыми телами, когда какое-либо из них пытаются сдвинуть с места. Кинематическое трение существует между взаимно соприкасающимися движущимися твердыми телами. Кинематическое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения.
В жизни человека силы трения играют важную роль. В одних случаях он их использует, а в других борется с ними. Силы трения имеют электромагнитную природу.
Виды сил трения.
Силы трения имеют электромагнитную природу, т.е. в основе сил трения лежат электрические силы взаимодействия молекул. Они зависят от скорости движения тел относительно друг друга.
Существует 2 вида трения: сухое и жидкое.
1.Жидкое трение – это сила, возникающая при движении твёрдого тела в жидкости или газе или при движении одного слоя жидкости(газа) относительно другого и тормозящая это движение.
В жидкостях и газах сила трения покоя отсутствует.
При малых скоростях движения в жидкости (газе):
Fтр= k1v,
где k1– коэффициент сопротивления, зависящий от формы, размеров тела и от св-в среды. Определяется опытным путём.
При больших скоростях движения:
Fтр= k2v,
где k2– коэффициент сопротивления.
2.Сухое трение – это сила, возникающая при непосредственном соприкосновении тел, и всегда направлена вдоль поверхностей соприкосновения электромагнитных тел именно разрывом молекулярных связей.
Трение покоя.
Рассмотрим взаимодействие бруска с поверхностью стола.Поверхность, соприкасающихся тел не является абсолютно ровной.Наибольшая сила притяжения возникает между атомами веществ, находящимися на минимальном расстоянии друг от друга, то есть на микроскопических выступах. Суммарная сила притяжения атомов, соприкасающихся тел столь значительна, что даже под действием внешней силы, приложенной к бруску параллельно поверхности его соприкосновения со столом, брусок остаётся в покое. Это означает, что на брусок действует сила равная по модулю внешней силе, но противоположно направленная. Эта сила является силой трения покоя.Когда приложенная сила достигает максимального критического значения, достаточного для разрыва связей между выступами, брусок начинает скользить по столу. Максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения поверхности.По третьему закону Ньютона сила нормального давления равна по модулю силе реакции опоры N.
Максимальная сила трения покоя пропорциональна силе нормального давления:
где μ – коэффициент трения покоя.
Коэффициент трения покоя зависит от характера обработки поверхности и от сочетания материалов, из которых состоят соприкасающиеся тела. Качественная обработка гладких поверхностей контакта приводит к увеличению числа притягивающихся атомов и соответственно к увеличению коэффициента трения покоя.
Максимальное значение силы трения покоя пропорционально модулю силы F д давления, производимого телом на опору.
Определить значение коэффициента трения покоя можно следующим образом. Пусть тело (плоский брусок) лежит на наклонной плоскости АВ (рис. 3). На него действуют три силы: сила тяжести F, сила трения покоя Fп и сила реакции опоры N. Нормальная составляющая Fп силы тяжести представляет собой силу давления Fд, производимого телом на опору, т. е.
FН=Fд. Тангенциальная составляющая Fт силы тяжести представляет собой силу, стремящуюся сдвинуть тело вниз по наклонной плоскости.
При малых углах наклона a сила Fт уравновешивается силой трения покоя Fп и тело на наклонной плоскости покоится (сила N реакции опоры по третьему закону Ньютона равна по модулю и противоположна по направлению силе Fд, т. е. уравновешивает ее).
Будем увеличивать угол наклона a до тех пор, пока тело не начнет скользить вниз по наклонной плоскости. В этот момент
Fт=FпmaxИз рис. 3 видно, чтоFт=Fsin = mgsin; Fн=Fcos = mgcos.
получим
fн=sin/cos=tg.
Измерив угол, при котором начинается скольжение тела, можно по формуле вычислить значение коэффициента трения покоя fп.
Рис. 3. Трение покоя.
Трения скольжения
Трение скольжения возникает при относительном перемещении соприкасающихся тел.
Сила трения скольжения всегда направлена в сторону, противоположную относительной скорости соприкасающихся тел.
Когда одно тело начинает скользить по поверхности другого тела, связи между атомами (молекулами) первоначально неподвижных тел разрываются, трение уменьшается. При дальнейшем относительном движении тел постоянно образуются новые связи между атомами. При этом сила трения скольжения остаётся постоянной, несколько меньшей силы трения покоя. Как и максимальная сила трения покоя, сила трения скольжения пропорциональна силе нормального давления и, следовательно, силе реакции опоры:
,где - коэффициент трения скольжения (), зависящий от свойств соприкасающихся поверхностей.
Рис. 3. Трение скольжения
Контрольные вопросы
- Что такое внешнее и внутреннее трение?
- Какое трение называют трением покоя?
- что такое сухое и жидкое трение?
- Что такое максимальная сила трения покоя?
- Как определить значение коэффициента трения покоя?
Инструкция
Пример задачи 3: брусок массой 1 кг соскользнул с вершины наклонной плоскости за 5 секунд, путь 10 метров. Определите силу трения, если угол наклона плоскости 45о. Рассмотрите также случай, когда на брусок воздействовала дополнительная сила 2 Н, приложенная вдоль угла наклона по направлению движения.
Найдите ускорение тела аналогично примерам 1 и 2: а = 2*10/5^2 = 0,8 м/с2. Вычислите силу трения в первом случае: Fтр = 1*9,8*sin(45о)-1*0,8 = 7,53 Н. Определите силу трения во втором случае: Fтр = 1*9,8*sin(45о)+2-1*0,8= 9,53 Н.
Случай 6. Тело двигается по наклонной поверхности равномерно. Значит, по второму закону Ньютона система находится в равновесии. Если скольжение самопроизвольное, движение тела подчиняется уравнению: mg*sinα = Fтр.
Если же к телу приложена дополнительная сила (F), препятствующая равноускоренному перемещению, выражение для движения имеет вид: mg*sinα–Fтр-F = 0. Отсюда найдите силу трения: Fтр = mg*sinα-F.
Источники:
- скольжение формула
При относительном движении двух тел между ними возникает трение. Оно также может возникнуть при движении в газообразной или жидкой среде. Трение может как мешать, так и способствовать нормальному движению. В результате этого явления на взаимодействующие тела действует сила .
Инструкция
Наиболее общий случай рассматривает силу , когда одно из тел закреплено и покоится, а другое скользит по его поверхности. Со стороны тела, по которому скользит движущееся тело, на последнее действует сила реакции опоры, направленная перпендикулярно плоскости скольжения. Эта сила буквой N.Тело может также и покоится относительно закрепленного тела. Тогда сила трения , действующая на него Fтртрения . Он зависит от материалов трущихся поверхностей, степени их отшлифовки и ряда других факторов.
В случае движения тела относительно поверхности закрепленного тела сила трения скольжения становится равна произведения коэффициента трения на силу реакции опоры: Fтр = ?N.
Если поверхность расположена горизонтально, то сила реакции опоры по модуля равна силе тяжести, на тело, то есть N = mg, где m - масса скользящего тела, g - ускорение свободного , равное примерно 9,8 м/(с^2) на Земле. Отсюда, Fтр = ?mg.
Пусть теперь на тело действует постоянная сила F>Fтр = ?N, параллельная поверхности соприкасающихся тел. При скольжении тела, результирующая составляющая силы в горизонтальном направлении будет равна F-Fтр. Тогда по второму закону Ньютона, ускорение тела будет связано с результирующей силой по формуле: a = (F-Fтр)/m. Отсюда, Fтр = F-ma. Ускорение тела можно найти из кинематических соображений.
Часто рассматриваемый частный случай силы трения при соскальзывании тела с закрепленной плоскости. Пусть? - угол наклона плоскости и пусть тело соскальзывает равномерно, то есть без . Тогда уравнения движения тела будут выглядеть так: N = mg*cos?, mg*sin? = Fтр = ?N. Тогда из первого уравнения движения силу трения можно выразить как Fтр = ?mg*cos?.Если тело движется по наклонной плоскости с a, то второе уравнение будет иметь вид: mg*sin?-Fтр = ma. Тогда Fтр = mg*sin?-ma.
Видео по теме
Если сила, направленная параллельно поверхности, на которой стоит тело, превышает силу трения покоя, то начнется движение. Оно будет продолжаться до тех пор, пока движущая сила будет превышать силу трения скольжения, зависящую от коэффициента трения. Рассчитать этот коэффициент можно самостоятельно.
Вам понадобится
- Динамометр, весы, транспортир или угломер
Инструкция
Найдите массу тела в килограммах и установите его на ровную поверхность. Присоедините к нему динамометр, и начинайте двигать тело. Делайте это таким образом, чтобы показатели динамометра стабилизировались, поддерживая постоянную скорость . В этом случае сила тяги, измеренная динамометром, будет равна с одной стороны силе тяги, которую показывает динамометр, а с другой стороны силе , умноженной на скольжения.
Сделанные измерения позволят найти данный коэффициент из уравнения. Для этого поделите силу тяги на массу тела и число 9,81 (ускорение свободного падения) μ=F/(m g). Полученный коэффициент будет один и тот же для всех поверхностей такого же типа, как и те на которых производилось измерение. Например, если тело из двигалось по деревянной доске, то этот результат будет справедлив для всех деревянных тел, двигающихся скольжением по дереву, с учетом качества его обработки (если поверхности шершавые, значение коэффициента трения скольжения измениться).
Можно измерить коэффициент трения скольжения и другим способом. Для этого установите тело на плоскости, которая может менять свой угол относительно горизонта. Это может быть обыкновенная дощечка. Затем начинайте аккуратно ее за один край. В тот момент, когда тело придет в движение, скатываясь в плоскости как сани с горки, найдите угол ее уклона относительно горизонта. Важно, чтобы тело при этом не двигалось с ускорением. В этом случае, измеренный угол будет предельно малым, при котором тело начнет двигаться под . Коэффициент трения скольжения будет равен тангенсу этого угла μ=tg(α).
Видео по теме
Сила реакции опоры относится к силам упругости, и всегда направлена перпендикулярно поверхности. Она противостоит любой силе, которая заставляет тело двигаться перпендикулярно опоре. Для того чтобы рассчитать ее нужно выявить и узнать числовое значение всех сил, которые действуют на тело, стоящее на опоре.
Вам понадобится
- - весы;
- - спидометр или радар;
- - угломер.
Инструкция
Определите массу тела с помощью весов или любым другим способом. Если тело находится на горизонтальной поверхности (причем неважно, движется оно или пребывает в состоянии покоя), то сила опоры равна силе тяжести на тело. Для того чтобы рассчитать ее умножьте массу тела на ускорение свободного падения, которое равно 9,81 м/с² N=m g.
Когда тело движется по наклонной плоскости, направленной под углом к горизонту, сила реакции опоры находится под углом в силе тяжести. При этом она компенсирует только ту составляющую силы тяжести, которая действует перпендикулярно наклонной плоскости. Для расчета силы реакции опоры, с помощью угломера измерьте угол, под которым плоскость располагается к горизонту. Рассчитайте силу реакции опоры, перемножив массу тела на ускорение свободного падения и косинус угла, под которым плоскость находится к горизонту N=m g Cos(α).
В том случае, если тело движется по поверхности, которая представляет собой часть окружности с радиусом R, например, мост, то сила реакции опоры учитывает силу, по направлению из центра окружности, с ускорением, равным центростремительному, действующую на тело. Чтобы рассчитать силу реакции опоры в верхней точке, от ускорения свободного падения отнимите квадрата скорости к радиусу .
Получившееся число умножьте на массу движущегося тела N=m (g-v²/R). Скорость должна быть измерена в метрах в секунду, а радиус в метрах. При определенной скорости значение ускорения, направленного от центра окружности, может сравняться, и даже ускорение свободного падения, в этот момент сцепление тела с поверхностью пропадет, поэтому, например, автомобилистам, нужно четко контролировать скорость на таких участках дороги.
Если же направлена вниз, и траектория тела вогнутая, то рассчитайте силу реакции опоры, прибавив к ускорению свободного падения отношение квадрата скорости и радиуса кривизны траектории, а получившийся результат умножьте на массу тела N=m (g+v²/R).
Источники:
- сила опору
Движение в реальных условиях не может продолжаться до бесконечности. Причина этому – трения . Она возникает при контакте тела с другими телами и всегда направлена противоположно направлению движения. Это означает, что сила трения всегда выполняет отрицательную работу , что нужно учитывать при расчетах.
Вам понадобится
- - рулетка или дальномер;
- - таблица ля определения коэффициента трения;
- - понятие о кинетической энергии;
- - весы;
- - калькулятор.
Инструкция
Если тело движется равномерно и прямолинейно, найдите силу, которая его в движение. Она компенсирует силу трения , поэтому численно равна ей, но в сторону . Измерьте рулеткой или дальномером расстояние S, на которое сила F передвинула тело. Тогда работа силы трения будет равна произведению силы на расстояние со знаком «минус» A=-F∙S.
Пример. Автомобиль движется по дороге равномерно и прямолинейно. Какую работу сила трения на дистанции 200 м, если сила тяги двигателя равна 800 Н? При равномерном прямолинейном сила тяги двигателя равна по модулю силе трения . Тогда ее работа будет равна A=-F∙S =-800∙200=-160000 Дж или -160 кДж.
Сила трения в земных условиях сопутствует любым движениям тел. Она возникает при соприкосновении двух тел, если эти тела двигаются относительно друг друга. Направлена сила трения всегда вдоль поверхности соприкосновения, в отличие от силы упругости, которая направлена перпендикулярно (рис. 1, рис. 2).
Рис. 1. Отличие направлений силы трения и силы упругости
Рис. 2. Поверхность действует на брусок, а брусок – на поверхность
Существуют сухие и не сухие виды трения. Сухой вид трения возникает при соприкосновении твердых тел.
Рассмотрим брусок, лежащий на горизонтальной поверхности (рис. 3). На него действуют сила тяжести и сила реакции опоры . Подействуем на брусок с небольшой силой , направленной вдоль поверхности. Если брусок не сдвигается с места, значит, приложенная сила уравновешивается другой силой, которая называется силой трения покоя .
Рис. 3. Сила трения покоя
Сила трения покоя () противоположна по направлению и равна по модулю силе, стремящейся сдвинуть тело параллельно поверхности его соприкосновения с другим телом.
При увеличении «сдвигающей» силы брусок остается в покое, следовательно, сила трения покоя также увеличивается. При некоторой, достаточно большой, силе брусок придет в движение. Это означает, что сила трения покоя не может увеличиваться до бесконечности – существует верхний предел, больше которого она быть не может. Величина этого предела – максимальная сила трения покоя.
Подействуем на брусок с помощью динамометра.
Рис. 4. Измерение силы трения с помощью динамометра
Если динамометр действует на него с силой , то можно увидеть, что максимальная сила трения покоя становится больше при увеличении массы бруска, то есть при увеличении силы тяжести и силы реакции опоры. Если провести точные измерения, то они покажут, что максимальная сила трения покоя прямо пропорциональна силе реакции опоры:
где – модуль максимальной силы трения покоя; N – сила реакции опоры (нормального давления); – коэффициент трения покоя (пропорциональности). Следовательно, максимальная сила трения покоя прямо пропорциональна силе нормального давления.
Если провести опыт с динамометром и бруском постоянной массы, при этом переворачивая брусок на разные стороны (меняя площадь соприкосновения со столом), то можно увидеть, что максимальная сила трения покоя не меняется (рис. 5). Следовательно, от площади соприкосновения максимальная сила трения покоя не зависит.
Рис. 5. Максимальное значение силы трения покоя не зависит от площади соприкосновения
Более точные исследования показывают, что трение покоя полностью определяется приложенной к телу силой и формулой .
Сила трения покоя не всегда препятствует движению тела. Например, сила трения покоя действует на подошву обуви, при этом сообщая ускорение и позволяя ходить по земле без проскальзывания (рис. 6).
Рис. 6. Сила трения покоя, действующая по подошву обуви
Еще один пример: сила трения покоя, действующая на колесо автомобиля, позволяет начинать движение без пробуксовки (рис. 7).
Рис. 7. Сила трения покоя, действующая на колесо автомобиля
В ременных передачах также действует сила трения покоя (рис. 8).
Рис. 8. Сила трения покоя в ременных передачах
Если тело движется, то сила трения, действующая на него со стороны поверхности, не исчезает, такой вид трения называется трение скольжения . Измерения показывают, что сила трения скольжения по величине практически равна максимальной силе трения покоя (рис. 9).
Рис. 9. Сила трения скольжения
Сила трения скольжения всегда направлена против скорости движения тела, то есть она препятствует движению. Следовательно, при движении тела только под действием силы трения она сообщает ему отрицательное ускорение, то есть скорость тела постоянно уменьшается.
Величина силы трения скольжения также пропорциональна силе нормального давления.
где – модуль силы трения скольжения; N – сила реакции опоры (нормального давления); – коэффициент трения скольжения (пропорциональности).
На рисунке 10 изображен график зависимости силы трения от приложенной силы. На нем видно два различных участка. Первый участок, на котором сила трения возрастает при увеличении приложенной силы, соответствует трению покоя. Второй участок, на котором сила трения не зависит от внешней силы, соответствует трению скольжения.
Рис. 10. График зависимости силы трения от приложенной силы
Коэффициент трения скольжения приблизительно равен коэффициенту трения покоя. Обычно коэффициент трения скольжения меньше единицы. Это означает, что сила трения скольжения по величине меньше силы нормального давления.
Коэффициент трения скольжения является характеристикой двух трущихся друг о друга тел, он зависит от того, из каких материалов изготовлены тела и насколько хорошо обработаны поверхности (гладкие или шероховатые).
Происхождение сил трения покоя и скольжения обуславливается тем, что любая поверхность на микроскопическом уровне не является плоской, на любой поверхности всегда присутствуют микроскопические неоднородности (рис. 11).
Рис. 11. Поверхности тел на микроскопическом уровне
Когда два соприкасающихся тела подвергаются попытке перемещения относительно друг друга, эти неоднородности зацепляются и препятствуют этому перемещению. При небольшой величине приложенной силы этого зацепления достаточно для того, чтобы не позволить телам смещаться, так возникает трение покоя. Когда внешняя сила превосходит максимальное трение покоя, то зацепления шероховатостей недостаточно для удержания тел, и они начинают смещаться относительно друг друга, при этом между телами действует сила трения скольжения.
Данный вид трения возникает при перекатывании тел друг по другу или при качении одного тела по поверхности другого. Трение качения, как и трение скольжения, сообщает телу отрицательное ускорение.
Возникновение силы трения качения обусловлено деформацией катящегося тела и опорной поверхностью. Так, колесо, расположенное на горизонтальной поверхности, деформирует последнюю. При движении колеса деформации не успевают восстановиться, поэтому колесу приходится как бы все время взбираться на небольшую горку, из-за чего появляется момент сил, тормозящий качение.
Рис. 12. Возникновение силы трения качения
Величина силы трения качения, как правило, во много раз меньше силы трения скольжения при прочих равных условиях. Благодаря этому качение является распространенным видом движения в технике.
При движении твердого тела в жидкости или газе на него действует со стороны среды сила сопротивления. Эта сила направлена против скорости тела и тормозит движение (рис. 13).
Главная особенность силы сопротивления заключается в том, что она возникает только при наличии относительного движения тела и окружающей его среды. То есть силы трения покоя в жидкостях и газах не существует. Это приводит к тому, что человек может сдвинуть даже тяжелую баржу, находящуюся на воде.
Рис. 13. Сила сопротивления, действующая на тело при движении в жидкости или газе
Модуль силы сопротивления зависит:
От размеров тела и его геометрической формы (рис. 14);
Состояния поверхности тела (рис. 15);
Свойства жидкости или газа (рис. 16);
Относительной скорости тела и окружающей его среды (рис. 17).
Рис. 14. Зависимости модуля силы сопротивления от геометрической формы
Рис. 15. Зависимости модуля силы сопротивления от состояния поверхности тела
Рис. 16. Зависимости модуля силы сопротивления от свойства жидкости или газа
Рис. 17. Зависимости модуля силы сопротивления от относительной скорости тела и окружающей его среды
На рисунке 18 показан график зависимости силы сопротивления от скорости тела. При относительной скорости, равной нулю, сила сопротивления не действует на тело. С увеличением относительной скорости сила сопротивления сначала растет медленно, а затем темп роста увеличивается.
Рис. 18. График зависимости силы сопротивления от скорости тела
При низких значениях относительной скорости сила сопротивления прямо пропорциональна величине этой скорости:
где – величина относительной скорости; – коэффициент сопротивления, который зависит от рода вязкой среды, формы и размеров тела.
Если относительная скорость имеет достаточно большое значение, то сила сопротивления становится пропорциональной квадрату этой скорости.
где – величина относительной скорости; – коэффициент сопротивления .
Выбор формулы для каждого конкретного случая определяется опытным путем.
Тело массой 600 г равномерно движется по горизонтальной поверхности (рис. 19). При этом к нему приложена сила, величина которой равна 1,2 Н. Определить величину коэффициента трения между телом и поверхностью.
1. Для того чтобы тело (книгу, лежащую на столе, ящик, стоящий на полу, и т.п.) сдвинуть с места, к нему нужно приложить силу. При этом при постепенном увеличении силы тело какое-то время будет оставаться в покое, а при определённом значении приложенной силы начнёт перемещаться. Силу, возникающую при непосредственном соприкосновении двух тел, называют силой трения . Эта сила всегда направлена вдоль поверхности соприкосновения.
На книгу, лежащую на столе, действуют в вертикальной плоскости уравновешивающие друг друга силы тяжести \(\vec{F}_т \) , и упругости (реакции опоры), в горизонтальной плоскости действует приложенная к ней сила \(\vec{F} \) . Поскольку книга какое-то время остается неподвижной, то это значит, что в горизонтальной плоскости действует ещё одна сила, равная по модулю силе \(\vec{F} \) и направленная в противоположную ей сторону. Этой силой является сила трения покоя . Чем большая сила прикладывается к телу (пока оно не движется), тем больше сила трения покоя.
Сила трения покоя равна по модулю и направлена противоположно силе, приложенной к покоящемуся телу параллельно поверхности его соприкосновения с другим телом.
2. При некотором значении приложенной к телу силы \(\vec{F} \) оно приходит в движение. В момент начала движения бруска сила трения покоя имеет максимальное значение \(\vec{F}_{тр.max} \) , которое равно силе трения скольжения. Чем больше сила давления тела на поверхность соприкосновения тел перпендикулярно этой поверхности (сила нормального давления), тем больше максимальная сила трения покоя, т.е. \((F_{тр})_{max}=\mu N \) , где \(\mu \) - коэффициент трения.
Максимальная сила трения покоя прямо пропорциональна силе нормального давления.
Сила трения покоя препятствует началу движения тела. С другой стороны, сила трения покоя может быть причиной ускорения движения тела. Так, при ходьбе сила трения покоя \(F_{тр} \) , действующая на подошву, сообщает нам ускорение. Сила \(F \) , равная по модулю силе трения покоя и направленная в противоположную сторону, сообщает ускорение опоре.
3. При движении тела на него тоже будет действовать сила трения, её называют силой трения скольжения . Сила трения скольжения - сила, действующая при скольжении одного тела по поверхности другого и направленная в сторону, противоположную перемещению тела. Она несколько меньше максимальной силы трения покоя и направлена в сторону, противоположную перемещению тела относительно соприкасающегося с ним тела.
Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормального давления: \((F_{тр})_{max}=\mu N \) . В этой формуле \(N \) - сила нормального давления, т.е. сила, действующая перпендикулярно поверхности соприкасающихся тел; \(\mu \) - коэффициент трения. Коэффициент трения характеризует поверхности соприкасающихся тел. Он определяется экспериментально и приводится в таблицах.
Причиной трения являются неровности поверхностей. В случае хорошо отшлифованных поверхностей молекулы, находящиеся на поверхностях тел, располагаются близко друг к другу, и силы межмолекулярного взаимодействия достаточно велики.
4. Если тело катится по поверхности другого тела, то на него тоже действует сила трения. Это - сила трения качения . Она прямо пропорциональна силе нормального давления (реакции опоры) \(N \) и обратно пропорциональна радиусу \(R \) катящегося тела: \(F_{кач}=\mu\frac{N}{R} \) , где \(\mu \) - коэффициент трения качения.
5. Существует целый ряд практических задач, в которых необходим учёт силы трения. Особенно важными являются задачи, связанные с движением транспорта. Хорошо известно, что для избежания аварий следует сохранять определённую дистанцию между автомобилями; в дождливую погоду или в гололедицу она должна быть больше, чем в сухую погоду.
Расстояние, которое проезжает автомобиль при торможении до полной остановки, называют тормозным путём. Рассчитывается тормозной путь но формуле \(s=\frac{v^2}{2a} \) .
Часть 1
1. При измерении коэффициента трения брусок перемещали но горизонтальной поверхности стола и получили значение силы трения \(F_1 \) . Затем на брусок положили груз, масса которого в 2 раза больше массы бруска, и получили значение силы трения \(F_2 \) . При этом сила трения \(F_2 \)
1) равна \(F_1 \)
2) в 2 раза больше \(F_1 \)
3) в 3 раза больше \(F_1 \)
4) в 2 раза меньше \(F_1 \)
2. В таблице приведены результаты измерений силы трения и силы нормального давления при исследовании зависимости между этими величинами.
Закономерность \(\mu=N/F_{тр} \) выполняется для значений силы нормального давления
1) только от 0,4 Н до 2,0 Н
2) только от 0,4 Н до 3 Н
3) только от 0,4 Н до 4,5 Н
4) только от 2,0 Н до 4,5 Н
3. При измерении силы трения брусок перемещали по горизонтальной поверхности стола и получили значение силы трения \(F_1 \) . Затем брусок перемещали, положив его на стол гранью, площадь которой в 2 раза больше, чем в первом случае, и получили значение силы трения \(F_2 \) . Сила трения \(F_2 \)
1) равна \(F_1 \)
2) в 2 раза больше \(F_1 \)
3) в 2 раза меньше \(F_1 \)
4) в 4 раза меньше \(F_1 \)
4. Два деревянных бруска массой \(m_1 \) и \(m_2 \) скользят по горизонтальной одинаково обработанной поверхности стола. На бруски действует сила трения скольжения \(F_1 \) и \(F_1 \) соответственно. При этом известно, что \(F_2=2F_1 \) . Следовательно, \(m_1 \)
1) \(m_1 \)
2) \(2m_2 \)
3) \(m_2/2 \)
4) ответ зависит от значения коэффициента трения
5. На рисунке приведены графики зависимости силы трения от силы нормального давления. Сравните значения коэффициента трения.
1) \(\mu_2=\mu_1 \)
2) \(\mu_2>\mu_1 \)
3) \(\mu_2<\mu_1 \)
4) \(\mu_2>>\mu_1 \)
6. Учащийся выполнял эксперимент по измерению силы трения, действующей на два тела, движущихся по горизонтальным поверхностям. Масса первого тела \(m_1 \) , масса второго тела \(m_2 \) , причем \(m_1 =2m_2 \) . Он получил результаты, представленные на рисунке в виде диаграммы. Какой вывод можно сделать из анализа диаграммы?
1) сила нормального давления \(N_2=2N_1 \)
2) сила нормального давления \(N_1=N_2 \)
3) коэффициент трения \(\mu_1=\mu_2 \)
4) коэффициент трения \(\mu_2=2\mu_1 \)
7. Два автомобиля одинаковой массы движутся один но асфальтовой дороге, а другой - по грунтовой. На диаграмме приведены значения силы трения для этих автомобилей. Сравните значения коэффициента трения (\(\mu_1 \) и \(\mu_2 \) ).
1) \(\mu_2=0.3\mu_1 \)
2) \(\mu_2=\mu_1 \)
3) \(\mu_2=1.5\mu_1 \)
4) \(\mu_2=3\mu_1 \)
8. На рисунке приведён график зависимости силы трения от силы нормального давления. Чему равен коэффициент трения?
1) 0,5
2) 0,2
3) 2
4) 5
9. Санки весом 3 кг скользят по горизонтальной дороге. Сила трения скольжения их полозьев о дорогу 6 Н. Чему равен коэффициент трения скольжения полозьев о дорогу?
1) 0,2
2) 0,5
3) 2
4) 5
10. При движении тела массой 40 кг по горизонтальной поверхности действует сила трения скольжения 10 Н. Какой станет сила трения скольжения при уменьшении массы тела в 5 раз?
1) 1 Н
2) 2 Н
3) 4 Н
4) 5 Н
11. Установите соответствие между физической величиной (левый столбец) и характером её изменения (правый столбец) при увеличении массы бруска, движущегося по столу. В ответе запишите подряд номера выбранных ответов
ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A. Сила трения
Б. Коэффициент трения
B. Сила нормального давления
ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ
1) уменьшается
2) увеличивается
3) не изменяется
12. Из приведённых ниже утверждений выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.
1) Сила трения покоя больше приложенной к телу силе.
2) Сила трения качения меньше силы трения скольжения при той же массе тела.
3) Коэффициент трения скольжения прямо пропорционален силе нормального давления.
4) Сила трения зависит от площади опоры движущегося тела при одинаково обработанной его поверхности.
5) Максимальная сила трения покоя равна силе трения скольжения.
Часть 2
13. Автомобиль, имея скорость 72 км/с, начинает тормозить с выключенным двигателем и проходит путь 100 м. Чему равны ускорение автомобиля и время торможения?
Ответы
Сила трения – величина, с которой взаимодействуют две поверхности при движении. Она зависит от характеристики тел, направления движения. Благодаря трению скорость тела уменьшается, и вскоре оно останавливается.
Сила трения – направленная величина, независящая от площади опоры и предмета, так как при движении и увеличении площади повышается сила реакции опоры. Эта величина участвует в расчете силы трения. В итоге Fтр=N*m. Здесь N – реакция опоры, а m – коэффициент, который является постоянной величиной, если нет необходимости в очень точных расчетах. При помощи этой формулы можно вычислить силу трения скольжения, которую обязательно стоит учитывать при решении задач, связанных с движением. Если тело вращается на поверхности, то в формулу необходимо включить силу качения. Тогда трение можно найти по формуле Fтркач = f*N/r. Согласно формуле, при вращении тела имеет значение его радиус. Величина f – коэффициент, который можно найти, зная, из какого материала изготовлено тело и поверхность. Это коэффициент, который находится по таблице.Существуют три силы трения:
- покоя;
- скольжения;
- качения.
Зная физические свойства тел и сопутствующие силы, воздействующие на предмет, вам легко удастся рассчитать силу трения.
