Академия занимательных наук. Физика

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Первомайская средняя общеобразовательная школа»

п. Первомайский

Исследовательская работа

«Сила трение и её полезные свойства»

Выполнил: Платон Алексей,

ученик 9 – «Д» класса

Руководитель:

,

учитель физики

п. Первомайский

Тамбовской области

2012

1. Введение 3

2. Исследование общественного мнения. 4

3. Что такое трение (немного теории). 5

3.1. Трение покоя. 5

3.2. Трение скольжения. 6

3.3. Трение качения. 6

3.4. Историческая справка. 8

3.5. Коэффициент трения. 9

3.6. Роль сил трения. 11

4. Результаты экспериментов. 12

5. Конструкторская работа и выводы. 13

6. Заключение. 15

7. Список использованной литературы. 16

1. Введение

Проблема: Понять – нужна ли нам сила трения и, узнать её полезные свойства.

Как разгоняется автомобиль, и какая сила замедляет его при торможении? Почему автомобиль «заносит» на скользкой дороге? Что служит причиной быстрого износа деталей? Почему автомобиль, разогнавшись до больших скоростей не может резко остановиться? Как удерживаются растения в почве? Почему живую рыбу трудно в руке удержать? Чем объяснить высокий процент травматизма и дорожно-транспортных происшествий во время гололедицы в зимний период?

Ответы на эти и многие другие вопросы, связанные с движением тел, дают законы трения.

Из приведенных вопросов следует, что трение является и вредным и полезным явлением.

В 18 веке французский физик открыл закон, согласно которому сила трения между твердыми телами не зависит от площади соприкосновения, а пропорциональна силе реакции опоры и зависит от свойств соприкасающихся поверхностей. Зависимость силы трения от свойств соприкасающихся поверхностей характеризуется коэффициентом трения. Коэффициент трения лежит в пределах от 0,5 до 0,15. Хотя с тех пор было выдвинуто немало гипотез, объясняющих этот закон, до сих пор полной теории силы трения не существует. Трение определяется свойствами поверхности твердых тел, а они очень сложны и до конца еще не исследованы.

Основные цели данного проекта : 1) Изучить природу сил трения; исследовать факторы, от которых зависит трение; рассмотреть виды трения.

2) Выяснить, как человек получил знания об этом явлении, какова его природа.

3)Показать, какую роль играет явление трения или его отсутствие в нашей жизни; ответить на вопрос: «Что мы знаем об этом явлении?»

4)Создать демонстрационные эксперименты; объяснить результаты наблюдаемых явлений.

Задачи: Проследить исторический опыт человечества по использованию и применению этого явления; выяснить природу явления трения, закономерности трения; провести эксперименты, подтверждающие закономерности и зависимости силы трения; продумать и создать демонстрационные эксперименты, доказывающие зависимость силы трения от силы нормального давления, от свойств соприкасающихся поверхностей, от скорости относительного движения тел.

Для достижения поставленных целей над данным проектом работали по следующим направлениям:

1) Исследование общественного мнения;

2) Изучение теории трения;

3) Эксперимент;

4) Конструирование.

Актуальность проблемы. Явление трения встречается в нашей жизни очень часто. Все движения соприкасающихся тел друг относительно друга всегда происходит с трением. Сила трения всегда влияет в большей или меньшей степени на характер движения.

Гипотеза. Сила трения полезна, зависит от рода трущихся поверхностей, и силы давления.

Практическая значимость состоит в применении зависимости силы трения от силы реакции опоры, от свойств соприкасающихся поверхностей, от скорости движения в природе. Также необходимо это учитывать в технике и в быту.

Научный интерес заключается в том, что в процессе изучения данного вопроса получены некоторые сведения о практическом применении явления трения.

2. Исследование общественного мнения.

Цели: показать, какую роль играет явление трения или его отсутствие в нашей жизни; ответить на вопрос: «Что мы знаем об этом явлении?»

Были изучены пословицы, поговорки, в которых проявляется сила трения покоя, качения, скольжения, изучали человеческий опыт в применении трения, способов борьбы с трением.

Пословицы и поговорки:

Не будет снега, не будет и следа.

Тихий воз будет на горе.

Тяжело против воды плыть.

Любишь кататься, люби и саночки возить.

Терпенье и труд все перетрут.

От того и телега запела, что давно дегтя не ела.

И строчит, и валяет, и гладит, и катает. А все языком.

Врет, что шелком шьет.

Возьмем монету и потрем ею о шершавую поверхность. Мы отчетливо ощутим сопротивление - это и есть сила трения. Если тереть побыстрее, монета начнет нагреваться, напомнив нам о том, что при трении выделяется теплота - факт, известный еще человеку каменного века, ведь именно таким способом люди впервые научились добывать огонь.

Трение дает нам возможность ходить, сидеть, работать без опа­сения, что книги и тетради упадут со стола, что стол будет сколь­зить, пока не упрется в угол, а ручка выскользнет из пальцев.

Трение способствует устойчивости. Плотники выравнивают пол так, что столы и стулья остаются там, где их поставили.

Однако маленькое трение на льду может быть успешно ис­пользовано технически. Свидетельство этому так называемые ледяные дороги, которые устраивали для вывозки леса с места рубки к железной дороге или к пунктам сплава. На такой дороге, имеющей гладкие ледяные рельсы, две лошади тащат сани, на­груженные 70 тоннами бревен.

Трение - не только тормоз для движения. Это еще и главная причина изнашивания технических устройств, проблема, с кото­рой человек столкнулся также на самой заре цивилизации. При раскопках одного из древнейших шумерских городов - Урука - обнаружены остатки массивных деревянных колес, которым 4,5 тыс. лет. Колеса обиты медными гвоздями с очевидной це­лью - защитить обоз от быстрого изнашивания.

И в нашу эпоху борьба с изнашиванием технических уст­ройств - важнейшая инженерная проблема, успешное решение которой позволило бы сэкономить десятки миллионов тонн ста­ли, цветных металлов, резко сократить выпуск многих машин, запасных частей к ним.

Уже в античную эпоху в распоряжении инженеров находи­лись такие важнейшие средства для снижения трения в самих механизмах, как сменный металлический подшипник скольже­ния, смазываемый жиром или оливковым маслом, и даже под­шипник качения.

Первыми в мире подшипниками считаются ременные петли, поддерживающие оси допотопных шумерских повозок.

Подшипники со сменными металлическими вкладышами были хорошо известны в Древней Греции, где они применялись в колодезных воротах и мельницах.

Конечно, трение играет в нашей жизни и положительную роль, но оно и опасно для нас, особенно в зимний период, пери­од гололедов.

3. Что такое трение (немного теории)

Цели: изучить природу сил трения; исследовать факторы, от которых зависит трение; рассмотреть виды трения.

Сила трения

Если мы попытаемся сдвинуть с места шкаф, то сразу убе­димся, что не так-то просто это сделать. Его движению будет мешать взаимодействие ножек с полом, на котором он стоит. Различают 3 вида трения: трение покоя, трение скольжения, трение качения. Мы хотим выяснить, чем эти виды отличаются друг от друга и что между ними общего?

3.1. Трение покоя

Для того чтобы выяснить сущность этого явления, можно провести несложный эксперимент. Положим брусок на наклон­ную доску. При не слишком большом угле наклона доски бру­сок может остаться на месте. Что будет удерживать его от со­скальзывания вниз? Трение покоя.

Прижмем свою руку к лежащей на столе тетради и передви­нем ее. Тетрадь будет двигаться относительно стола, но поко­иться по отношению нашей ладони. С помощью чего мы заста­вили эту тетрадь двигаться? С помощью трения покоя тетради о руку. Трение покоя перемещает грузы, находящиеся на движу­щейся ленте транспортера, препятствует развязыванию шнур­ков, удерживает гвозди, вбитые в доску, и т. д.

Сила трения покоя может быть разной. Она растет вместе с силой, стремящейся сдвинуть тело с места. Но для любых двух соприкасающихся тел она имеет некоторое максимальное зна­чение, больше которого быть не может. Например, для деревян­ного бруска, находящегося на деревянной доске, максимальная сила трения покоя составляет примерно 0,6 от его веса. Прило­жив к телу силу, превышающую максимальную силу трения по­коя, мы сдвинем тело с места, и оно начнет двигаться. Трение покоя при этом сменится трением скольжения.

3.2. Трение скольжения

Из-за чего постепенно останавливаются санки, скатившиеся с горы? Из-за трения скольжения. Почему замедляет свое дви­жение шайба, скользящая по льду? Вследствие трения скольже­ния, направленного всегда в сторону, противоположную на­правлению движения тела. Причины возникновения силы тре­ния:

1) Шероховатость поверхностей соприкасающихся тел. Даже те поверхности, которые выглядят гладкими, на самом деле все­гда имеют микроскопические неровности (выступы, впадины). При скольжении одного тела по поверхности другого эти неров­ности зацепляются друг за друга и тем самым мешают движе­нию;

2) межмолекулярное притяжение, действующее в местах контакта трущихся тел. Между молекулами вещества на очень малых расстояниях возникает притяжение. Молекулярное при­тяжение проявляется в тех случаях, когда поверхности соприкасающихся тел хорошо отполированы. Так, например, при отно­сительном скольжении двух металлов с очень чистыми и ров­ными поверхностями, обработанными в вакууме с помощью специальной технологии, сила трения оказывается намного сильнее, чем сила трения между брусками дерева друг с другом, и дальнейшее скольжение становится невозможно.

3.3. Трение качения

Если тело не скользит по поверхности другого тела, а, по­добно колесу или цилиндру, катится, то возникающее в месте их контакта трение называют трением качения. Катящееся колесо несколько вдавливается в полотно дороги, и потому перед ним всё время оказывается небольшой бугорок, который необходимо преодолевать. Именно тем, что катящемуся колесу постоянно приходится наезжать на появляющийся впереди бугорок, и обу­словлено трение качения. При этом, чем дорога тверже, тем тре­ние качения меньше. При одинаковых нагрузках сила трения качения значительно меньше силы трения скольжения (это было замечено еще в древности). Так, ножки тяжелых предметов, на­пример, кроватей, роялей и т. п., снабжают роликами. В технике для уменьшения трения в машинах широко пользуются под­шипниками качения, иначе называемыми шариковыми и роли­ковыми подшипниками.

Эти виды трения относятся к сухому трению. Мы знаем, по­чему книга не проваливается сквозь стол. Но что мешает ей со­скользнуть, если стол немного наклонен? Наш ответ - трение! Мы попытаемся объяснить природу силы трения.

На первый взгляд, объяснить происхождение силы трения очень просто. Ведь поверхность стола и обложка книги шерохо­ваты. Это чувствуется на ощупь, а под микроскопом видно, что поверхность твердого тела более всего напоминает горную страну. Бесчисленные выступы цепляются друг за друга, немно­го деформируются и не дают книге соскользнуть. Таким образом, сила трения покоя вызвана теми же силами взаимодействия молекул, что и обычная упругость.

Если мы увеличим наклон стола, то книга начнет скользить. Очевидно, при этом начинаются «скалывание» бугорков, разрыв молекулярных связей, не способных выдержать возросшую на­грузку. Сила трения по-прежнему действует, но это уже будет сила трения скольжения. Обнаружить «скалывание» бугорков не представляет труда. Результатом такого «скалывания» является износ трущихся деталей.

Казалось бы, чем тщательнее отполированы поверхности, тем меньше должна быть сила трения. До известной степени это так. Шлифовка снижает, например, силу трения между двумя стальными брусками. Но не беспредельно! Сила трения внезап­но начинает расти при дальнейшем увеличении гладкости по­верхности. Это неожиданно, по все же объяснимо.

По мере сглаживания поверхностей они все теснее и теснее прилегают друг к другу.

Однако до тех пор, пока высота неровностей превышает не­сколько молекулярных радиусов, силы взаимодействия между молекулами соседних поверхностей отсутствуют. Ведь это очень короткодействующие силы. При достижении некоего со­вершенства шлифовки поверхности сблизятся настолько, что силы сцепления молекул включатся в игру. Они начнут препят­ствовать смещению брусков друг относительно друга, что и обеспечивает силу трения покоя. При скольжении гладких бру­сков молекулярные связи между их поверхностями рвутся по­добно тому, как у шероховатых поверхностей разрушаются свя­зи внутри самих бугорков. Разрыв молекулярных связей - вот то главное, чем отличаются силы трения от сил упругости. При возникновении сил упругости таких разрывов не происходит. Из-за этого силы трения зависят от скорости.

Часто в популярных книгах и научно-фантастических рас­сказах рисуют картину мира без трения. Так можно очень на­глядно показать как пользу, так и вред трения. Но не надо забы­вать, что в основе трения лежат электрические силы взаимодействия молекул. Уничтожение трения фактически означало бы уничтожение электрических сил и, следовательно, неизбежный полный распад вещества.

Но ведь знания о природе трения пришли к нам не сами со­бой. Этому предшествовала большая исследовательская работа ученых-экспериментаторов на протяжении нескольких веков. Не все знания приживались легко и просто, многие требовали мно­гократных экспериментальных проверок, доказательств. Самые светлые умы последних столетий изучали зависимость модуля силы трения от многих факторов: от площади соприкосновения поверхностей, от рода материала, от нагрузки, от неровностей поверхностей и шероховатостей, от относительной скорости движения тел. Имена этих ученых: Леонардо да Винчи, Амон-тон, Леонард Эйлер, Шарль Кулон - это наиболее известные имена, но были еще рядовые труженики науки. Все ученые, уча­ствовавшие в этих исследованиях, ставили опыты, в которых совершалась работа по преодолению силы трения.

3.4. Историческая справка

Шел 1500 год. Великий итальянский художник, скульптор и ученый Леонардо да Винчи проводил странные опыты, чем удивлял своих учеников.

Он таскал по полу, то плотно свитую веревку, то ту же верев­ку во всю длину. Его интересовал ответ на вопрос: зависит ли сила трения скольжения от величины площади соприкасающих­ся в движении тел? Механики того времени были глубоко убеж­дены, что чем больше площадь касания, тем больше сила тре­ния. Они рассуждали примерно так, что чем больше таких точек, тем больше сила. Совершенно очевидно, что на большей по­верхности будет больше таких точек касания, поэтому сила тре­ния должна зависеть от площади трущихся тел.

Леонардо да Винчи усомнился и стал проводить опыты. И получил потрясающий вывод: сила трения скольжения не зави­сит от площади соприкасающихся тел. Попутно Леонардо да Винчи исследовал зависимость силы трения от материала, из которого изготовлены тела, от величины нагрузки на эти тела, от скорости скольжения и степени гладкости или шероховатости их поверхности. Он получил следующие результаты:

1. От площади не зависит.

2. От материала не зависит.

3. От величины нагрузки зависит (пропорционально ей).

4. От скорости скольжения не зависит.

5. Зависит от шероховатости поверхности.

1699 год. Французский ученый Амонтон в результате своих опытов так ответил на те же пять вопросов. На первые три - так же, на четвертый - зависит. На пятый - не зависит. Получалось, и Амонтон подтвердил столь неожиданный вывод Леонардо да Винчи о независимости силы трения от площади соприкасаю­щихся тел. Но в то же время он не согласился с ним в том, что сила трения не зависит от скорости скольжения; он считал, что сила трения скольжения зависит от скорости, а с тем, что сила трения зависит от шероховатостей поверхностей, не соглашался.

В течение восемнадцатого и девятнадцатого веков насчиты­валось до тридцати исследований на эту тему. Их авторы согла­шались только в одном - сила трения пропорциональна силе нормального давления, действующей на соприкасающиеся тела. А по остальным вопросам согласия не было. Продолжал вызы­вать недоумение даже у самых видных ученых эксперименталь­ный факт: сила трения не зависит от площади трущихся тел.

1748 год. Действительный член Российской Академии наук Леонард Эйлер опубликовал свои ответы на пять вопросов о трении. На первые три - такие же, как и у предыдущих, но в чет­вертом он согласился с Амонтоном, а в пятом - с Леонардо да Винчи.

1779 год. В связи с внедрением машин и механизмов в про­изводство назрела острая необходимость в более глубоком изу­чении законов трения. Выдающийся французский физик Кулон занялся решением задачи о трении и посвятил этому два года. Он ставил опыты на судостроительной верфи , в одном из портов Франции. Там он нашел те практические производственные ус­ловия, в которых сила трения играла очень важную роль. Кулон на все вопросы ответил - да. Общая сила трения в какой-то ма­лой степени все же зависит от размеров поверхности трущихся тел, прямо пропорциональна силе нормального давления, зави­сит от материала соприкасающихся тел, зависит от скорости скольжения и от степени гладкости трущихся поверхностей. В дальнейшем ученых стал интересовать вопрос о влиянии смазки, и были выделены виды трения: жидкостное, чистое, сухое и граничное.

Правильные ответы

Сила трения не зависит от площади соприкасающихся тел, а зависит от материала тел: чем больше сила нормального давле­ния, тем больше сила трения. Точные измерения показывают, что модуль силы трения скольжения зависит от модуля относи­тельной скорости.

Сила трения зависит от качества обработки трущихся по­верхностей и увеличения вследствие этого силы трения. Если тщательно отполировать поверхности соприкасающихся тел, то число точек касания при той же силе нормального давления увеличивается, а следовательно, увеличивается и сила трения. Трение связано с преодолением молекулярных связей между соприкасающимися телами.

3.5.Коэффициент трения

Сила трения зависит от силы, прижимающей данное тело к поверхности другого тела, т. е. от силы нормального давления N и от качества трущихся поверхностей.

В опыте с трибометром силой нормального давления служит вес бруска. Измерим силу нормального давления, равную весу чашечки с гирьками в момент равномерного скольжения бруска. Увеличим теперь силу нормального давления вдвое, поставив грузы на брусок. Положив на чашечку добавочные гирьки, снова заставим брусок двигаться равномерно.

Сила трения при этом увеличится вдвое. На основании по­добных опытов было установлено, что, при неизменных мате­риале и состоянии трущихся поверхностей сила их трения прямо пропорциональна силе нормального давления, т. е.

Величина, характеризующая зависимость силы трения от материала и качества обработки трущихся поверхностей, назы­вается коэффициентом трения. Коэффициент трения измеряется отвлеченным числом, показывающим, какую часть силы нор­мального давления составляет сила трения

μ зависит от ряда причин. Опыт показывает, что трение ме­жду телами из одинакового вещества, вообще говоря, больше, чем между телами из разных веществ. Так, коэффициент трения стали по стали больше, чем коэффициент трения стали по меди. Объясняется это наличием сил молекулярного взаимодействия, которые у однородных молекул значительно больше, чем у раз­нородных.

Влияет на трение и качество обработки трущихся поверхно­стей.

Когда качество обработки этих поверхностей различно, то неодинаковы и размеры шероховатостей на трущихся поверхно­стях, тем прочнее сцепление этих шероховатостей, т. е. больше μ трения. Следовательно, одинаковому материалу и качеству обработки обеих трущихся поверхностей соответствует наи­большее значение font-size:14.0pt;line-height:115%"> силы взаимодействия. Если в предыдущей формуле под F тр под­разумевали силу трения скольжения, то μ будет обозначать ко­эффициент трения скольжения, если же FTp заменить наиболь­шим значением силы трения покоя F макс ., то μ будет обозначать коэффициент трения покоя

Теперь проверим, зависит ли сила трения от площади сопри­косновения трущихся поверхностей. Для этого положим на по­лозья трибометра 2 одинаковых бруска и измерим силу трения между полозьями и «сдвоенным» бруском. Затем положим их на полозья порознь, сцепив друг с другом, и снова измерим силу трения. Оказывается, что, несмотря на увеличение площади трущихся поверхностей во втором случае, сила трения остается прежней. Отсюда следует, что сила трения не зависит от вели­чины трущихся поверхностей. Такой, на первый взгляд стран­ный, результат опыта объясняется очень просто. Увеличив пло­щадь трущихся поверхностей, мы тем самым увеличили количе­ство зацепляющихся друг за друга неровностей на поверхности тел, но одновременно уменьшили силу, с которой эти неровно­сти прижимаются друг к другу, так как распределили вес бру­сков на большую площадь.

Опыт показал, что сила трения зависит от скорости движе­ния. Однако при малых скоростях этой зависимостью можно пренебречь. Пока скорость движения невелика, сила трения воз­растает при увеличении скорости. Для больших скоростей дви­жения наблюдается обратная зависимость: с увеличением ско­рости силы трения убывает. Следует отметить, что все установ­ленные соотношения для силы трения носят приближённый характер.

Сила трения значительно изменяется в зависимости от со­стояния трущихся поверхностей. Особенно сильно она умень­шается при наличии жидкой прослойки, например масла, между трущимися поверхностями (смазка). Смазкой широко пользуют­ся в технике для уменьшения сил вредного трения.

3.6. Роль сил трения

В технике и в повседневной жизни силы трения играют ог­ромную роль. В одних случаях силы трения приносят пользу, в других - вред. Сила трения удерживает вбитые гвозди, винты, гайки; удерживает нитки в материи, завязанные узлы и т. д. При отсутствии трения нельзя было бы сшить одежду, собрать ста­нок, сколотить ящик.

Трение увеличивает прочность сооружений; без трения нельзя производить ни кладку стен здания, ни закрепление телеграфных столбов, ни скрепление частей машин и сооружений болтами, гвоздями, шурупами. Без трения не могли бы удерживаться растения в почве. Наличие трения покоя позволяет человеку передвигаться по поверхности Земли. Идя, человек отталкивает от себя Землю на­зад, а Земля с такой же силой толкает человека вперед. Сила, движущая человека вперед, равна силе трения покоя между по­дошвой ноги и Землей.

Чем сильнее человек толкает Землю назад, тем больше сила трения покоя, приложенная к ноге, и тем быстрее движется че­ловек.

Когда человек отталкивает Землю с силой большей, чем предельная сила трения покоя, то нога скользит назад, и это за­трудняет ходьбу. Вспомним, как трудно ходить по скользкому льду. Чтобы легче было идти, необходимо увеличить трение по­коя. С этой целью скользкую поверхность посыпают песком. Сказанное относится и к движению электровоза, автомобиля. Колёса, соединенные с двигателем, называются ведущими.

Когда ведущее колесо с силой, создаваемой двигателем, тол­кает рельс назад, то сила, равная трению покоя и приложенная к оси колеса, двигает вперед электровоз или автомобиль. Итак, трение между ведущим колесом и рельсом или Землей - полез­но. Если оно мало, то колесо буксует, а электровоз или автомо­биль стоит на месте. Трение же, например, между движущимися частями работающей машины вредно. Для увеличения трения посыпают рельсы песком. В гололедицу очень трудно ходить пешком и передвигаться на автомобилях, так как трение покоя очень мало. В этих случаях посыпают тротуары песком и надевают цепи на колеса автомобилей, чтобы увеличить трение покоя.

Силой трения также пользуются для удержания тел в со­стоянии покоя или для их остановки, если они движутся. Вра­щение колес прекращается с помощью тормозных колодок, тем или иным способом прижимаемых к ободу колеса. Наиболее распространены воздушные тормоза, в которых тормозная ко­лодка прижимается к колесу при помощи сжатого воздуха.

Рассмотрим подробнее движение лошади, тянущей сани. Лошадь ставит ноги и напрягает мускулы таким образом, что в отсутствие сил трения покоя ноги скользили бы назад. При этом возникают силы трения покоя, направленные вперед. На сани же, которые лошадь тянет вперед через постромки с силой, со стороны земли действует сила трения скольжения, направленная назад. Чтобы лошадь и сани получили ускорение, необходимо, чтобы сила трения копыт лошади о поверхность дороги, была больше, чем сила трения, действующая на сани. Однако, как бы ни был велик коэффициент трения подков о землю, сила трения покоя не может быть больше той силы, которая должна была вызвать скольжение копыт, т. е. силы мускулов лошади. Поэтому даже тогда, когда ноги лошади не скользят, все же она иногда не может сдвинуть с места тяжелые сани. При движении (ког­да началось скольжение) сила трения несколько уменьшается; поэтому часто достаточно только помочь лошади сдвинуть сани с места, чтобы потом она могла их везти.

4. Результаты экспериментов

Цель: выяснить зависимость силы трения скольжения от следующих факторов:

От нагрузки;

От площади соприкосновения трущихся поверхностей;

От трущихся материалов (при сухих поверхностях).

Оборудование: динамометр лабораторный с жесткостью пружины 40 Н/м; динамометр круглый демонстрационный (пре­дел - 12Н); деревянные бруски - 2 штуки; набор грузов; дере­вянная дощечка; кусок металлического листа; плоский чугун­ный брусок; лед; резина.

Результаты экспериментов

1. Зависимость силы трения скольжения от нагрузки.

2. Зависимость силы трения от площади соприкосновения трущихся поверхностей.

3. Зависимость силы трения от размеров неровностей тру­щихся поверхностей: дерево по дереву (различные способы об­работки поверхностей).

При исследовании силы трения от материалов трущихся поверхностей мы используем один брусок массой 120 г и разные контактные поверхности. Используем формулу:

Мы рассчитывали коэффициенты трения скольжения для следующих материалов:

5. Конструкторская работа и выводы

Цели: создать демонстрационные эксперименты; объяснить результаты наблюдаемых явлений.

Опыты по трению

Изучив литературу, мы отобрали несколько опытов, которые решили осуществить сами. Мы продумали эксперименты, и попытались объяснить результаты наших экспериментов. В качестве приборов и инструментов мы взяли:, деревянную линейку, ножи, наждачную бумагу, точильный круг.

Опыт №1

Цилиндрический ящик диаметром 20см и высотой 7см наполнен песком. В песок зарыта легкая фигурка с грузом на ногах, а на его поверхность положен металлический шарик. При встряхивании ящика фигурка высовывается из песка, а шарик тонет в нем. При встряхивании песка ослабляются силы трения между песчинками, он становится удобоподвижным и приобретает свойства жидкости. Поэтому тяжелые тела «тонут» в песке, а легкие «всплывают».

Опыт № 2 Точка ножей в мастерских. Обработка поверхностей деталей с помощью наждачной бумаги. Явления основаны на раскалывании зазубрин между соприкасающимися поверхностями.

Опыт №3 При многократном разгибании и сгибании проволоки место изгиба нагревается. Это происходит за счет трения между отдельными слоями металла.

Также при натирании монеты о горизонтальную поверхность, монета нагревается.

Результатами этих опытов можно объяснить многие явления.

Например, случай в мастерских. Во время работы за станком у меня произошло задымление между трущимися поверхностями подвижных частей станка. Это объясняется явлением трения между соприкасающимися поверхностями. Для предотвращения данного явления необходимо было смазать трущиеся поверхности и уменьшить тем самым силу трения.

6. Заключение

Мы выяснили, что человек издавна использует знания о яв­лении трения, полученные опытным путем. Начиная с XV - XVI веков, знания об этом явлении становятся научными: ставятся опыты по определению зависимостей силы трения от многих факторов, выясняются закономерности.

Теперь мы точно знаем, от чего зависит сила трения, а что не влияет на нее. Если говорить более конкретно, то сила трения зависит: от нагрузки или массы тела; от рода соприкасающихся поверхностей; от скорости относительного движения тел; от размера неровностей или шероховатостей поверхностей. А вот от площади соприкосновения она не зависит.

Теперь мы можем объяснить все наблюдаемые в практике закономерности строением вещества, силой взаимодействия между молекулами.

Мы провели серию экспериментов, проделали примерно такие же опыты, как и ученые, и получили примерно такие же результаты. Получилось, что экспериментально мы подтвердили все утверждения, высказанные нами.

Нами была создана серия экспериментов, помогающих по­нять и объяснить некоторые «трудные» наблюдения.

Но, наверное, самое главное - мы поняли, как здорово до­бывать знания самим, а потом делиться ими с другими.

Список использованной литературы.

1. Элементарный учебник физики:Учебное пособие. В 3-хт. /Под ред. . Т.1 Механика. Молекулярная физика. М.:Наука, 1985.

2. , Проказа механики и техники: Кн. для учащихся. – М.: Просвещение, 1993.

3. Бытько, ч.1 и 2. Механика. Молекулярная физика и теплота. М.: Высшая школа, 1972.

4. Энциклопедия для детей. Том 16. 1 Биография физики. Путешествие в глубь материи. Механическая картина мира/Глав. Ред. . – М.:Аванта+, 2000

· http :// demo . home . nov . ru / favorite . htm

· http://gannalv. *****/tr/

· http://ru. wikipedia. org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5

· http://class-fizika. *****/7_tren. htm

· http://www. *****/component/option, com_frontpage/Itemid,1/

Не идётся - только едется,

Потому что - гололедица,

Но зато отлично падается!

Почему ж никто не радуется?

Такой наивный детский стишок на первый взгляд - а как много содержит он, если взглянуть на него с физической точки зрения! Ведь именно в нём заключена система противоречивого отношения к пресловутой силе трения. Этот постоянный бой, где соперничают между собой два понятия - вред и польза силы трения, никогда не будет иметь победителя. Ведь то, что одному человеку удобно и выгодно, другому часто бывает совсем даже наоборот - плохо, как в этом стихотворении.

Помните рассказ Николая Носова про ледяную горку, которую строили ребята во дворе? А когда они все ушли обедать, вышел тот, который в строительстве не участвовал. Попытался он забраться на неё, да только ушибся, но забраться так и не смог. И догадался малыш посыпать лёд песком - стало очень удобно забираться на самый верх даже по льду! Так, усилив при помощи песка между скользким льдом и подошвой, мальчик понял, что польза трения позволяет преодолевать препятствия.

Но вот после обеда вышли ребятишки с ледянками, чтобы вволю накататься на своей горке. Ан не тут-то было: не едут санки по песку! Для них эта ситуация повернулась другой стороной, показав вред трения.

Подобные случаи мы наблюдаем зимой, когда мальчишки раскатывают ледяные дорожки и несутся с разбегу по ним, преодолевая расстояние за считанные минуты! А следом ковыляют пожилые люди, поскальзываются на припорошенных снежком накатах и падают, ломая руки и ноги. Вот вам опять наглядные примеры, где в одном и том же случае соседствуют и вред, и польза силы трения.

Именно для уменьшения силы трения лыжники смазывают свои лыжи специальными мазями, чтобы увеличить скорость при движении. Катки, на которых занимаются конькобежцы либо фигуристы, периодически поливают водой и очищают - тоже для уменьшения силы трения. А пешеходные дорожки, напротив, посыпают песком или золой, чтобы никто на них не падал. Некоторые изобретатели-рационализаторы придумали даже приклеивать к подошвам зимних ботинок и сапог кусочки наждачной бумаги как раз с целью увеличения силы трения.

То же самое происходит и с колёсами машин. Ведь не секрет, что с наступлением зимы, водители «обувают» своих железных коней в специальную «зимнюю резину». А иначе без полезной силы трении увеличивается происходит занос машины при поворотах, она юзит, и часто водитель плохо справляется с управлением. А чем кончаются аварии, каждый знает и сам.

Что-то мы всё про зиму, да про лёд, да про падения. А есть ли другие моменты в обыденной жизни, где наглядно можно увидеть, как соревнуются между собой вред и польза силы трения? Конечно, есть! Они повсюду. Даже в нашей с вами комнате.

Вот, например, огромный и тяжёлый шифоньер. Стоит себе, как вкопанный, и не двигается. А если бы вдруг исчезла сила трения, что тогда могло бы произойти? А поехала бы эта громадина от самого лёгкого толчка по комнате! И ещё неизвестно, смогли бы мы успеть увернуться от неё. Хорошая сила трения, полезная!

Но вот мама решила переставить мебель. И нужно передвинуть этот пресловутый шкафище к другой стене. Раз - два, взяли! Три - четыре, поднапряглись! Только всё оказывается бесполезно: чем тяжелее предмет, тем крепче держится за него сила трения. Ужасная, противная силища!

Опять соперничают они между собой - вред и польза силы трения. А не нужно никакого соперничества! Надо просто хорошо знать физические законы и уметь извлекать из этих знаний практическую пользу. Не нужна в данный Значит, следует её уменьшить: сделать соприкасающиеся поверхности более гладкими, скользкими. Кто-то для этого советует намазать пол мылом либо маслом, кто-то подкладывает под ножки тяжёлого предмета мокрую тряпку. И вот уже - раз - два - и готово! Сдвинули довольно легко этакую махину с места.

Сила трения постоянно сопутствует нам на протяжении всей жизни, так же, как Где-то она создаёт нам неудобство, а где-то без неё никак не обойтись. Но как бы то ни было, она существует, и наша задача - научиться пользоваться физическими законами так, чтобы жизнь наша становилась удобнее и комфортнее.

Знаете ли вы, что еще гениальный Леонардо да Винчи в далеком 1500 году очень интересовался тем, от чего зависит сила трения и что она собой представляет? Странные опыты, которые он проводил, вызывали немалое удивление у его учеников, а чего еще можно было ожидать от людей, видящих, как талантливый ученый таскает по полу веревку, то размотанную во всю длину, то плотно свитую. Эти и другие подобные эксперименты позволили ему чуть позже (в 1519 году) сделать вывод: сила трения, которая появляется при контакте одного тела с поверхностью другого, напрямую зависит от нагрузки (силы прижатия), не зависит от площади взаимодействия и направлена в противоположную от движения сторону.

Открытие формулы

Прошло 180 лет, и модель Леонардо была заново открыта Г. Амонтоном, а в 1781 году Ш. О. Кулон в своих работах дал ей окончательную формулировку. Заслуга этих двух ученых в том, что они ввели такую физическую константу, как коэффициент трения, тем самым позволив вывести формулу, по которой можно вычислить, чему равна сила трения для конкретно взятой пары взаимодействующих материалов. До сих пор именно это выражение

F t = k t х Р, где

Р - сила прижатия (нагрузка), а k t - коэффициент трения, из года в год перекочевывает в различные учебники и пособия по физике, а сами коэффициенты давно уже подсчитаны и содержатся в стандартных инженерных справочниках. Казалось бы, наконец-то с этим явлением наступила полная ясность, однако не тут-то было.

Новые нюансы

В XIX веке ученые убедились в том, что формулировка, предложенная Амонтоном и Кулоном, не является универсальной и абсолютно правильной, а сила трения зависит не только от коэффициентов и прилагаемой нагрузки. Кроме этого, есть еще третий фактор - качество обработки поверхности. В зависимости от того, является она гладкой или шероховатой, сила трения будет принимать разное значение. В принципе, это вполне логично: сдвинуть скользящий предмет намного проще по сравнению со смещением объекта с неровной поверхностью. А в конце XIX века появились новые достижения в изучении вязкости, и стало понятно, как действует сила трения в жидкостях. И хотя смазку трущихся поверхностей использовали с самого начала зарождения техники, лишь в 1886 году благодаря О. Рейнольдсу появилась стройная теория, посвященная смазке.
Так, если ее достаточно, и непосредственно контакта между двумя предметами не происходит, сила трения зависит лишь от ее гидродинамики. А если смазочного вещества недостаточно, то включаются все три механизма: кулонова сила, сила вязкого сопротивления и сила, препятствующая страгиванию с места. Как вы думаете, поставила ли эта теория точку в изучении данного явления? Правильно, нет. На пороге ХХ века оказалось, что на малых скоростях при отсутствии смазки возникает штрибек-эффект. Его суть в том, что когда смазка отсутствует, сила сопротивления не снижается сразу с величины силы трогания до уровня кулоновой силы, а падает постепенно по мере роста скорости. В ХХ веке дальнейшие исследования в этой области принесли так много новой информации, что ее требовалось как-то систематизировать. В результате появилась целая наука - трибология, изучающая, как действует сила трения в природе. Только в США число ученых, работающих в данной сфере, перевалило за одну тысячу человек, а в мире ежегодно на эту тему публикуется свыше 700 статей. Любопытно, что же еще интересного удастся обнаружить ученым? Поживем - увидим!

В окружающем нас мире существует множество физических явлений: гром и молния, дождь и град, электрический ток, трение… Именно трению и посвящён наш сегодняшний доклад. Почему возникает трение, на что влияет, от чего зависит сила трения? И, наконец, трение - это друг или враг?

Что такое сила трения?

Немного разбежавшись, можно лихо прокатиться по ледяной дорожке. Но попробуйте сделать это на обычном асфальте. Впрочем, и пробовать не стоит. Ничего не получится. Виновницей вашей неудачи станет очень большая сила трения. По этой же причине сложно сдвинуть с места массивный стол или, скажем, пианино.

В месте соприкосновения двух тел всегда возникает взаимодействие, которое препятствует движению одного тела по поверхности другого. Его и называют трением. А величину этого взаимодействия - силой трения.

Виды сил трения

Представим себе, что вам надо передвинуть тяжелый шкаф. Вашей силы явно не хватает. Увеличим «сдвигающую» силу. Одновременно увеличивается и сила трения покоя. И направлена она в сторону противоположную движения шкафа. Наконец, «сдвигающая» сила «побеждает» и шкаф трогается с места. Теперь в свои права вступает сила трения скольжения. Но она меньше силы трения покоя и дальше шкаф передвигать значительно легче.

Вам, конечно, приходилось наблюдать, как 2-3 человека откатывают в сторону тяжелый автомобиль с внезапно заглохшим двигателем. Люди, толкающие автомобиль, никакие не силачи, просто на колеса автомобиля действует сила трения качения. Этот вид трения возникает при перекатывании одного тела по поверхности другого. Может катиться шарик, круглый или гранёный карандаш, колеса железнодорожного состава и т. д. Этот вид трения гораздо меньше силы трения скольжения. Поэтому совсем легко передвигать тяжелую мебель, если она снабжена колёсиками.

Но, и в этом случае сила трения направлена против движения тела, следовательно, уменьшает скорость тела. Если бы не её «вредный характер», разогнавшись на велосипеде или роликах, можно было бы наслаждаться ездой бесконечно долго. По этой же причине автомобиль с выключенным двигателем ещё какое-то время будет двигаться по инерции, а затем остановится.

Итак, запоминаем, различают 3 вида сил трения:

• трение скольжения;
• трение качения;
• трение покоя.

Быстрота изменения скорости называется ускорением. Но, поскольку, сила трения замедляет движение, то это ускорение будет со знаком «минус». Правильно будет сказать, под действием трения тело движется с замедлением.

Какова природа трения

Если рассмотреть гладкую поверхность полированного стола или льда через лупу (увеличительное стекло), то вы увидите крохотные шероховатости, за которые и цепляется тело, скользящее или катящееся по его поверхности. Ведь подобные выступы есть и у тела, движущегося по этим поверхностям.

В точках соприкосновения молекулы настолько сближаются, что начинают притягиваться друг к другу. Но тело продолжает движение, атомы удаляются друг от друга, сцепки между ними рвутся. Это приводит в колебание освободившиеся от притяжения атомы. Примерно так, как колеблется освобожденная от растяжения пружина. Мы же воспринимаем эти колебания молекул как нагревание. Вот почему трение всегда сопровождается повышением температуры соприкасающихся поверхностей.

Значит, существуют две причины, вызывающие это явление:

• неровности на поверхности соприкасающихся тел;
• силы межмолекулярного притяжения.

От чего зависит сила трения

Вероятно, вам приходилось замечать, резкое торможение санок, если они съезжают на участок, посыпанный песком. И ещё одно интересное наблюдение, когда на санках находится один человек, они проделают, съехав с горки, один путь. А если двое друзей будут съезжать вместе, санки остановятся быстрее. Следовательно, сила трения:

• зависит от материала соприкасающихся поверхностей;
• кроме того, трение возрастает с увеличением веса тела;
• действует в сторону противоположную движению.

Замечательная наука физика еще и тем хороша, что многие зависимости можно выразить не только словами, но и в виде специальных знаков (формул). Для силы трения это выглядит так:

Fтр = kN где:

Fтр - сила трения.

k - коэффициент трения, который отражает зависимость силы трения от материала и чистоты его обработки. Скажем, если металл катится по металлу k=0,18, если вы мчитесь на коньках по льду k= 0,02 (коэффициент трения всегда меньше единицы);

N - это сила, действующая на опору. Если тело находится на горизонтальной поверхности, эта сила равна весу тела. Для наклонной плоскости она меньше веса и зависит от угла наклона. Чем круче горка, тем легче с нее скатиться и дольше можно проехать.

А, высчитав по этой формуле силу трения покоя шкафа, мы узнаем какую силу нужно приложить, чтобы сдвинуть его с места.

Работа силы трения

Если на тело действует сила, под действием которой тело перемещается, то всегда совершается работа. У работы силы трения свои особенности: ведь она не вызывает движение, а препятствует ему. Поэтому, совершаемая ею работа, всегда будет отрицательной, т.е. со знаком «минус», в какую бы сторону не двигалось тело.

Трение - это друг или враг

Силы трения сопровождают нас повсюду, принося ощутимый вред и… огромную пользу. Вообразим, что исчезло трение. Изумленный наблюдатель увидел бы: как рушатся горы, сами по себе выкорчевываются из земли деревья, ураганные ветры и морские волны бесконечно властвуют над землей. Все тела сползают куда-то вниз, транспорт разваливается на отдельные детали, поскольку болты без трения не выполняют свою роль, невидимый безобразник развязал бы все шнурки и узлы, мебель, не удерживаемая силами трения, сползла в самый низкий угол комнаты.

Попытаемся убежать, спастись от этого хаоса, но без трения не сможем сделать, ни шагу. Ведь именно трение помогает нам при ходьбе отталкиваться от земли. Теперь понятно, почему зимой скользкие дороги посыпают песком….

И в то же время иногда трение наносит значительный вред. Люди научились уменьшать и увеличивать трение, извлекая из него огромную пользу. Например, для перетаскивания тяжелых грузов придумали колеса, заменив трение скольжение - качением, которое, значительно меньше трения скольжения.

Потому, что катящемуся телу не приходится цеплять множество мелких неровностей поверхности, как при скольжении тел. Затем снабдили колёса шинами с глубоким рисунком (протекторами).

А вы заметили, что все шины резиновые и чёрные?

Оказывается, резина хорошо удерживает колеса на дороге, а уголь, добавляемый в резину, придает ей чёрный цвет, нужную жёсткость и прочность. Кроме того, позволяет при авариях на дороге, измерить тормозной путь. Ведь при торможении резина оставляет четкий чёрный след.

При необходимости уменьшить трение, используют смазочные масла и сухую графитовую смазку. Замечательным изобретением явилось создание разного вида шарикоподшипников. Их применяют в самых различных механизмах от велосипеда до новейшего самолёта.

Бывает ли трение в жидкостях

Когда тело в воде неподвижно, то трение о воду не происходит. Но стоит ему начать движение, возникает трение, т. е. вода оказывает сопротивление движению в ней любых тел.

Значит, и берег, создавая трение, «тормозит» воду. А, так как трение воды о берег уменьшает её скорость, то на средину реки заплывать не стоит, ведь там течение гораздо сильнее. Рыбы и морские животные имеют такую форму, чтобы трение их тел о воду было минимальным.

Такую же обтекаемость конструкторы придают и подводным лодкам.

Наше знакомство с другими природными явлениями будет продолжаться. До новых встреч, друзья!

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя

Наука

Европейские ученые предоставили современное объяснение происхождения трения скольжения между твердыми предметами. Несмотря на тот факт, что трение – это одно из основополагающих явлений современной прикладной физики, данный феномен не прекращают изучать уже на протяжении многих веков . Вплоть до наших дней считалось, что механическая износоустойчивость и наличие (или отсутствие) жидкой смазки являются одними из основных факторов, влияющих на трение, однако фундаментальные причины трения скольжения оставались неизвестными.

Доктор Лэйси Макконен, старший научный сотрудник Технического исследовательского центра в Финляндии, представил собственное объяснение происхождения трения скольжения между твердыми предметами. Его теория полностью подтверждает тот факт , что величина трения зависит также от так называемой поверхностной энергии рассматриваемых материалов. При этом трение оказывает значительный эффект на многие явления, с которыми мы сталкиваемся каждый раз (такие как, к примеру, поглощение энергии).

Новая термодинамическая модель, созданная Макконеном, является первой в своем роде, которая дает возможность определить количественные параметры коэффициента трения материалов с учетом поверхностной энергии материалов. Модель, фактически, показывает, что трение возникает при соприкосновении материалов на наноразмерном уровне , являясь следствием формирования новых связей на атомном уровне. Данная теория дополняет объяснение происхождения силы трения и наличия фрикционного нагрева при сухом трении. Ее также можно применить для более точного расчета коэффициентов трения комбинаций различных материалов.

Построенная модель также дает возможность более точно управлять процессами трения посредством выбора определенной поверхности материалов или посредством использования смазочных слоев, учитывая наличие поверхностной энергии между ними . Примечательно, что данная теория подтверждает мнения многих физиков о том, что во всем известных таблицах с представленными в них коэффициентами трения для различных материалов (особенно для однородных) присутствуют заметные неточности.