Физический смысл силы трения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Тема данного проекта была выбрана в связи с проявлением интереса к вопросам: а) Почему изнашиваются механизмы и машины? б) Стираются подошвы ботинок и шины автомобиля? в) Затруднено передвижение различных грузов? г) невозможно создание вечного двигателя?

Известный швейцарский физик, лауреат Нобелевской премии Шарль Гийом (1861-1938): "Вообразим, что трение может быть устранено совершенно. Тогда никакие тела, будь они величиною с каменную глыбу или малы, как песчинка, никогда не удержатся одно на другом: все будет скользить и катиться, пока не окажется на одном уровне. Не будь трения, Земля представляла бы шар без неровностей, подобно жидкому".

Если бы не было силы трения, то в мире наступил бы хаос.

Л.И. Мандельштам говорил: «Ни учебник, ни учитель недостаточны, чтобы научить физике. Учащийся должен хоть немного работать опытно сам». В этом и помогает исследовательская работа.

Цели проекта:

§ создание условий для самостоятельного приобретения новой информации в процессе проведения экспериментов, объяснения результатов наблюдаемых явлений и последующей их оценки;

§ овладение технологий самостоятельной деятельности;

§ изучить природу сил трения; исследовать факторы, от которых зависит трения; рассмотреть виды трения.

Задачи проекта:

§ собрать и систематизировать информацию об ученых, занимавшихся изучением сил трения;

§ создать условия для проведения демонстрационных экспериментов, доказывающие зависимость силы трения скольжения от следующих факторов:

o от нагрузки;

o от площади соприкосновения трущихся поверхностей;

o от трущихся материалов;

§ провести данные эксперименты для учащихся 7-10 классов

Методы:

§ физический эксперимент;

§ визуальные наблюдения, видео-фото-съемки;

§ работа с литературой и Интернетом;

§ систематизация материалов.

1. История открытия силы трения

Впервые попытки осмыслить природу трения были сделаны Аристотелем). Опираясь на наблюдаемые факты, он отмечал, что любое, в том числе равномерное, перемещение реальных тел в горизонтальной плоскости всегда встречает внешнее сопротивление, причем это сопротивление зависит от веса тела.

Открытие Галилеем в конце XVI века закона инерции и понятия о массе тела позволило четко разграничить сопротивление движению, вызываемое инерцией и возникающее лишь при изменении скорости, от сопротивления внешней среды, которое имеется и при постоянной скорости и вызвано силами внешнего трения.

Рис. 1

Талантливый человек во всем талантлив, но лишь немногие гении были гениальны во всем, что бы они ни делали, и, пожалуй, за всю историю человечества только один человек - Леонардо да Винчи заслуживает звания универсального гения. Как художник, скульптор и инженер он превосходил своих современников. Как ученый он обогнал свою эпоху на века.

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

Он таскал по полу то плотную 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 убеждены, что чем больше площадь касания, тем больше сила трения. Они рассуждали так, что чем больше таких точек, тем больше сила, 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. Он исследовал зависимость силы трения от материала, из которого изготовлены тела, от величины нагрузки на эти тела, от скорости скольжения и степени гладкости или шероховатости от поверхности. Леонардо в 1519 г. утверждал, что сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна нагрузке (силе прижатия), направлена против направления движения и не зависит от площади контакта, от материала не зависит, от скорости скольжения не зависит, зависит от шероховатости поверхности.

В 1699 год. Французский ученый Амонтон подтвердил неожиданные 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 и шероховатостей поверхностей.

1748 год. Действительный член Российской Академии наук Леонард Эйлер опубликовал свои выводы о трении. Сила трения не зависит от площади, материала, от величины нагрузки, шероховатости поверхности (согласился с Леонардо да Винчи), зависит от скорости скольжения (с Амонтоном).

1779 год. В связи с внедрением машин и механизмов в производство назрела острая необходимость в 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.

1781 году. Амонтон и Кулон ввели понятие коэффициента трения как отношения силы трения к нагрузке, придав ему значение физической константы, полностью определяющей силу трения для любой пары контактирующих материалов. До сих пор именно эта формула

Fтр = fтр P,

где P - сила прижатия, а Fтр - сила трения, является единственной формулой, фигурирующей в учебниках по физике, а значения коэффициента трения fтр для различных материалов (сталь по стали, сталь по бронзе, чугун по коже и т.д.) входят в стандартные инженерные справочники и служат базой для традиционных технических расчетов. Однако уже в Х1Х веке стало ясно, что закон Кулона не дает правильного описания силы трения, а коэффициенты трения отнюдь не являются универсальными характеристиками. Было отмечено, что коэффициенты трения зависят не только от того, какие материалы контактируют, но и от того, насколько гладко обработаны контактирующие поверхности. Выяснилось также, что сила статического трения отличается от силы трения при движении. Кулон изучал именно силу трения при медленном взаимном перемещении контактирующих тел и установил, что эта сила не зависит от величины скорости, а только от направления (всегда направлена против движения).

Дальнейший вклад в теорию трения был сделан Майером (1842 г.), Джоулем (1843 г.), Гельмгольцем (1847 г.). Тогда же (в середине XIX в.) были высказаны и первые предположения об адгезионной природе трения (адгезия - сцепление, слипание поверхностей прижатых друг к другу тел). Исследование роли адгезионных связей в трении получило дальнейшее развитие в различных физических теориях трения в 30-40-х годах XX в. (советские ученые В.Д. Кузнецов, Б.В. Дерягин, англичанин Д.А. Томлинсон и др.). В течение многих лет выдвигались и обосновывались различные гипотезы и модели трения. Однако оказалось, что познать в известном смысле сложную и сверхсложную систему (явление) - это значит разумно упростить ее, сохраняя все необходимые и достаточные факторы.

Конец Х1Х века ознаменовал замечательными достижениями в исследовании вязкости, то есть трения в жидкостях. Наверное, с доисторических времен известно, что смазанные жиром или даже просто смоченные водой поверхности скользят значительно легче. Смазка трущихся поверхностей применялась с момента зарождения техники, но только О. Рейнольдс в 1886 году дал первую теорию смазки. При наличии достаточно толстого слоя смазки, обеспечивающего отсутствие непосредственного контакта трущихся поверхностей, сила трения определяется только свойствами (гидродинамикой) смазочного слоя. Сила статического трогания равна нулю, а с ростом скорости сила сопротивления движению увеличивается. Если же смазки недостаточно, то действуют все три механизма: сила статического сопротивления страгиванию с места, кулонова сила и сила вязкого сопротивления. Итак, к концу XIX века выяснилась картина зависимости силы трения от скорости. Но уже на пороге XX века возникло сомнение в правильности этой картины при очень малых скоростях. В 1902 году Штрибек опубликовал данные, свидетельствующие о том, что при отсутствии смазки сила сопротивления не падает сразу с уровня силы трогания до кулоновой силы, а возникает постепенное падение силы с ростом скорости - эффект, противоположный гидродинамической вязкости. Этот факт был многократно перепроверен в дальнейшем и теперь обычно именуется штрибек-эффектом.

Быстро развивавшаяся техника XX века требовала все большего внимания к исследованию трения. В 30-е годы исследования в области трения стали настолько интенсивными, что потребовалось выделить их как специальную науку - трибологию, лежащую на стыке механики, физики поверхностных явлений и химии (создание новых смазочных материалов - дело химиков).

Для того чтобы понять хотя бы основы трибологии, следует, прежде всего, обратиться к топографии поверхностей контактирующих между собой частей реальных механизмов. Эти поверхности никогда не являются идеально плоскими, имеют микронеровности. Места выступов на одной поверхности отнюдь не совпадают с местами выступов на другой. Как образно выразился один из пионеров трибологии, Ф. Боуден, "наложение двух твердых тел одного на другое подобно наложению швейцарских Альп на перевернутые австрийские Альпы - площадь контакта оказывается очень малой". Однако при сжатии остроконечные "горные пики" пластически деформируются, и подлинная площадь контакта увеличивается пропорционально приложенной нагрузке. Именно сопротивление относительному сдвигу этих контактных зон и является основным источником трения движения. Само сопротивление сдвигу при идеальном контакте определяется межмолекулярным взаимодействием, зависящим от природы контактирующих материалов.

2. Сила трения

Рис. 2

Силы трения появляются при перемещении соприкасающихся тел или их частей друг относительно друга. Трение, возникающее при относительном перемещении двух соприкасающихся тел, называется внешним; трение между частями одного и того же сплошного тела (например, жидкости или газа) носит название внутреннего трения.

Силу трения, возникающую при движении твердого тела относительно жидкой или газообразной среды, следует отнести к категории сил внутреннего трения, поскольку в этом случае слой среды, непосредственно соприкасающиеся с телом, вовлекаются им в движение с той же скоростью, какую имеет тело, и на движение тела оказывает влияние трение между этими и внешними по отношению к ним слоями среды.

Внешнее трение возникает при относительном перемещении двух соприкасающихся твердых тел в плоскости их касания, Сила сопротивления, возникающая при этом, называется силой трения.

Внешнее трение - диссипативный процесс, сопровождающийся выделением теплоты, электризацией тел, их разрушением.

Сила трения - это сила, возникающая при движении или попытке вызвать движение одного тела по поверхности другого и направленная вдоль соприкасающихся поверхностей против движения.

Причины возникновения сил трения

Шероховатость поверхностей

Взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел

Рис. 3

3. Неровности и шероховатости

Поверхность каждого твердого тела всегда имеет неровности и шероховатости. Зачастую они совершенно незаметны на глаз. Поверхности рельсов или полозьев саней кажутся очень гладкими и блестящими, но если посмотреть на них в микроскоп, то при большом увеличении будут видны бугры и целые горы. Так выглядят мельчайшие неровности на «гладкой» поверхности.

Рис. 4

Неровности и шероховатости полозьев саней -- причина трения качения и скольжения движущегося тела.

Такие же микроскопические «Альпы» и «Карпаты» существуют и на стальном ободе колеса. Когда колесо катится по рельсам, неровности его поверхности и рельса цепляются друг за друга, происходит постепенное разрушение трущихся предметов, а движение замедляется. Ничто в мире само собой не делается, и, чтобы производить даже ничтожнейшее разрушение поверхности стального рельса, приходится затрачивать некоторое усилие.

Трение скольжения и трение качения потому и тормозит всякое движущееся тело, что ему приходится расходовать часть своей энергии на разрушение своей же поверхности. Чтобы уменьшить износ трущихся поверхностей, их стараются делать как можно ровнее, как можно глаже, так, чтобы на них оставалось поменьше всяких шероховатостей.

Одно время думали, что единственной причиной трения качения и скольжения является шероховатость поверхности. Казалось, что трение можно совсем уничтожить, если хорошенько отшлифовать и отполировать трущиеся поверхности. Но, как выяснилось на основании весьма искусно сделанных опытов, победить трение качения и скольжения не так-то просто.

Динамометр покажет силу трения скольжения.

При воспроизведении опытов Кулона с трением покоя взяли стальную плиту и стальной брусок, по форме похожий на кирпич, но только не такой большой. Он прижимался к поверхности плиты силой своего веса. К бруску был приделан крючок. За крючок зацепили пружинные весы -- динамометр и, потянув за кольцо динамометра, стали двигать брусок по плите.

Динамометр показывал силу тяги. Если тянуть за динамометр так, чтобы брусок двигался равномерно и прямолинейно, сила тяги будет в точности равна силе трения. Динамометр покажет величину силы трения скольжения. Она будет несколько меньше силы трения покоя, определенной Кулоном. Но при малых скоростях скольжения эти силы можно считать равными. Так и делали: протягивали бруски по плите с определенной небольшой скоростью и замечали показания динамометра.

Рис. 5

Потом стали шлифовать и полировать трущиеся поверхности плиты и бруска и время от времени измеряли, как изменяется сила трения от такой обработки. Сначала все шло так, как предполагали: чем глаже и ровнее становились трущиеся поверхности, тем слабее сказывалась сила трения скольжения. Исследователи уже подумывали, что они вскоре добьются того, что трение исчезнет совсем. Но не тут-то было! Когда полированные поверхности заблестели, как зеркальные, силы трения стали заметно возрастать.

Хорошо отполированные металлические поверхности проявили склонность слипаться. Это доказало, что силы трения скольжения -- не только следствие шероховатости трущихся поверхностей, но и результат действия молекулярных сил сцепления, присущих всем веществам, тех самых сил, которые действуют между мельчайшими частицами вещества, заставляя их прижиматься друг к другу, заставляя твердые тела сохранять свою форму, масло -- приставать к металлу, клей -- клеить, смолу -- липнуть, ртуть -- скатываться в шарики. Эти силы сцепления между частичками вещества получили название молекулярных сил.

Силы трения имеют электромагнитную природу.

Внешнее трение делится на виды: трение покоя, трение скольжения и трение качения.

Сила трения покоя Fтр.п. - это сила трения, которая появляется между соприкасающимися поверхностями тел неподвижных относительно друг друга.

Рис. 6

Слабо подействуем на брусок силой F, направленной вдоль стола, на котором этот брусок лежит. Брусок не сдвинется с места, следовательно, появится сила Fтр.п.. которая уравновесила силу F, приложенную нами. Эта новая сила и есть сила трения покоя. Потянем брусок с большей силой. Увеличится и сила трения покоя. Можно приложить такую силу. После незначительного превышения которой брусок сдвинется с места.

Следовательно, максимальная сила трения покоя прямо пропорциональна силе нормального давления.

Если внешняя сила F превзойдет по модулю Fо, тело начинает скользить, причем его ускорение определяется результирующей двух сил: внешней F и силы трения скольжения Fтр., величина которой в той или иной мере зависит от скорости скольжения. Характер этой зависимости определяется природой и состоянием трущихся поверхностей.

Если брусок скользит по столу, то на него действует уже другая сила трения - сила трения скольжения.

Рис. 7

Сила трения скольжения - это сила трения, возникающая при скольжении одного тела по поверхности другого.

Рис. 8

Прикрепим к бруску динамометр и станем его равномерно тянуть по столу. При таком движении равнодействующая сил, приложенных к бруску, равна нулю. Тогда сила трения скольжения Fтр.ск. по модулю будет равна силе тяги F, с которой тянет брусок и которую укажет динамометр. Сила трения скольжения немного меньше максимальной силы трения покоя.

Сила трения скольжения или покоя не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

Модуль силы трения скольжения прямо пропорционален модулю силы нормального давления на трущиеся поверхности.

Когда брусок давит на опору, то деформируются и тело, и опора, поэтому они взаимодействуют силами упругости. Брусок под действием силы тяжести давит на опору силой Р, а по третьему закону Ньютона пора действует на брусок равной по модулю силой упругости N, P=N.

Силу упругости, с которой опора действует на тело, называют силой реакции опоры.

Модуль силы трения скольжения прямо пропорционален силе реакции опоры.

Fтр. =µN.

Коэффициент трения зависит в основном от обработки соприкасающейся пары поверхностей тел и трущихся веществ.

Вектор силы трения скольжения всегда направлен против вектора скорости тела, трение скольжения всегда тормозит движение.

Поместим один брусок на деревянные катки и приведем его в движении.

Сила трения качения - это сила трения, которая возникает, когда одно тело катится по поверхности другого.

Рис. 9

При качении колеса или любого круглого предмета возникает сила трения качения. Основной причиной возникновения трения качения является деформация поверхности, на которую опирается колесо, под действием его веса. Образующееся при этом углубление и мешает движению колеса. Чем тверже поверхность, по которой катится тело, тем меньше она деформирует, а следовательно, тем меньше сила трения качения.

Рис. 10

Сила трения качения значительно меньше силы трения скольжения при прочих одинаковых условиях. Поэтому для уменьшения силы трения на практике часто заменяют трение скольжения трением качения. В технике для уменьшения трения в машинах пользуются подшипниками качения.

4. Коэффициент трения. Свойства сил трения

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

Рис. 11

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

На основании подобных опытов было установлено, что при неизменном материале и состоянии трущихся поверхностей сила их трения прямо пропорциональна силе нормального давления.

Fтр. =µN

Коэффициент пропорциональности µ в формуле меньше единицы и не имеет размерности, он постоянен для одних и тех же трущихся поверхностей и меняется при их замене.

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=Fтр./Fд

Коэффициент трения зависит от ряда причин. Трение меду телами из одинакового вещества больше, чем между телами из разных веществ. 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 не одинаковы и размеры шероховатостей на них. Чем ближе друг другу размеры шероховатостей на трущихся поверхностях, тем прочнее сцепление этих шероховатостей, т.е. больше коэффициент трения.

Одинаковому материалу и качеству обработки обеих трущихся поверхностей соответствует наибольшее значение коэффициента трения. При трении между гладко полированными поверхностями большую роль играют силы молекулярного взаимодействия. Коэффициент трения при этом сильно увеличивается.

Сила трения не зависит от величины трущихся поверхностей (если площадь соприкосновения трущихся тел не слишком малы).

Сила трения зависит от скорости движения. При малых скоростях этой зависимостью можно пренебречь. Пока скорость движения не велика, сила трения возрастает при увеличении скорости. Для больших скоростей движения наблюдается обратная зависимость: с увеличением скорости сила трения начинает уменьшаться. Сила трения значительно изменяется в зависимости от состояния трущихся поверхностей. Особенно сильно она уменьшается при наличии жидкой прослойки (масла, между трущимися поверхностями - смазка).

5. Роль силы трения

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

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. Как трудно ходить по скользкому льду. Чтобы легче было идти, необходимо увеличить трение покоя. С этой целью скользкую поверхность посыпают песком.

Это относится и к движению электровоза, автомобиля и т.п. Колеса электровоза или автомобиля, 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. Трение между ведущим колесом и рельсом или Землей - полезно. Если оно мало, то колесо буксует, а электровоз или автомобиль стоит на месте. Трение между движущимися частями работающей машины вредно.

Силой трения пользуются также для удержания тел в состоянии покоя или для их остановки, если они движутся. Вращение колес прекращают 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.

Влияние окружающей среды на движение тел

При движении тел в воздухе или в воде (вообще в любой газообразной или жидкой среде) возникают силы, тормозящие это движение. Их называют силами сопротивления среды. Для сопротивления среды характерно отсутствие трения покоя. Даже очень маленькая сила, действующая на тело, находящееся в жидкой или газообразной среде, приводит его в движении.

Сопротивление среды очень сильно зависит от формы движущегося тела и от скорости его движения, а также от свойств самой среды. Три тела разной формы, но с одинаковыми поперечными сечениями: диск, шар и каплеобразное тело. При одинаковой скорости V , которая направлена вниз, тела испытывают различные силы сопротивления среды. Наименьшая сила сопротивления соответствует каплеобразному телу. Поэтому движущимся со значительной скоростью телам для уменьшения сопротивления среды придают подобную форму, которая называется обтекаемой.

Рис. 12

Сопротивление воздуха при движении каплеобразного тела Fс в 30 раз меньше сопротивления диска Fд и в 5 раз меньше сопротивления шарика Fш того же поперечного сечения при одинаковой скорости их движения.

При увеличении скорости движения тела сопротивление среды резко возрастает. Наибольшая скорость, приобретаемая телом при движении в данной среде, зависит от его формы и от свойств среды. Скорость тел, падающих в воздухе, в начале движения возрастает, а затем, когда сила сопротивления среды становится равной весу тела в этой среде. Сохраняет неизменное значение.

Эксперимент 1. Сравнение сил трения покоя, скольжения, качения и веса тела.

Цель опытов: показать, как зависят сил трения, скольжения, качения и вес тела; сравнить силы трения скольжения и качения при прочих одинаковых условиях.

Измерить с помощью динамометров максимальную силу трения покоя, силу трения при скольжении и качании. Измерить модуль силы давления, эта сила по модулю равна равнодействующей параллельных сил тяжести, действующих на брусок и грузы, стоящие на нем.

Выполнить совместные измерения силы давления и сил трения для случаев: брусок без грузов, брусок с одним грузом, с двумя и тремя грузами.

Вес тела

Рис. 13

Сила трения скольжения

Рис. 14

Сила трения качения

Рис. 15

Табл. 1

ОПЫТ	Вес Р, Н	Сила трения покоя Fтр. п,Н	Сила трения скольжения Fтр. ск.,Н	Сила трения качения. Fтр. кач.,Н
Брусок без груза	1	0,25	0,22	0,01
Брусок с одним грузом	2	0,78	0,55	0,02
Брусок с двумя грузами	3	1	0,7	0,09
Брусок с тремя грузами	4	1,4	0,85	0,12

Вывод: а) вес тела больше чем максимальная сила трения покоя.

б) сила трения скольжения меньше наибольшего значения силы трения покоя при прочих одинаковых условиях и небольших скоростях движения;

в) при одинаковых условиях сила трения качения в несколько раз меньше сила трения скольжения

Эксперимент 2. Изучение зависимости силы трения скольжения от силы давления и независимости от площади трущихся поверхностей.

Рис. 16

Табл. 2. Результаты эксперимента

ОПЫТ	Сила трения скольжения по большой грани Fтр. ск.,Н	Сила трения скольжения по средней грани, Fтр. ск.,Н
Брусок без груза	0,22	0,22
Брусок с одним грузом	0,55	0,55
Брусок с двумя грузами	0,7	0,7
Брусок с тремя грузами	0,85	0,85

Вывод: сила трения скольжения не зависит от площади трущихся поверхностей.

ЭКСПЕРИМЕНТ 3. Зависимость силы трения скольжения от силы давления.

Рис. 17

Табл. 3. Результаты эксперимента

Опыт	Вес Р, Н	Сила трения скольжения Fтр.ск.,Н	Коэффициент трения µ	Коэффициент трения µср
Брусок без груза	1	0,22	0,22	0,235
Брусок с одним грузом	2	0,50	0,25
Брусок с двумя грузами	3	0,70	0,23
Брусок с тремя грузами	4	0,95	0,24

Рис. 18. График зависимости силы трения от силы давления

Вывод: при неизменных материалах и состоянии и трущихся поверхностей сила их трения прямо пропорциональна силе нормального давления.

Эксперимент 4. Изучение зависимости силы трения скольжения от рода трущихся поверхностей.

Рис. 19

Табл. 4

Виды трущихся поверхностей	Вес Р.,Н	Сила трения скольжения Fтр.ск.,Н	Коэффициент трения µ
Дерево по дереву	3	0,8	0,27
Дерево по гладкой бумаге	3	0,6	0,20
Дерево по наждачной бумаге №1	3	2,2	0,73
Дерево по наждачной бумаге №2	3	2,5	0,83
Дерево по наждачной бумаге №3	3	2,8	0,93
Дерев по резиновой ленте	3	0,85	0,28
Сталь по стали	1	0,2	0.2

Выводы: Трение между телами из одинакового вещества больше, чем телами из разных веществ. 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 не одинаковы и размеры шероховатостей на них. Чем ближе друг к другу размеры шероховатостей на трущихся поверхностях, тем прочнее сцепление этих шероховатостей, т.е. больше коэффициент трения. При трении между гладко полированными поверхностями большую роль играют силы молекулярного взаимодействия. Коэффициент трения при этом сильно увеличивается.

6. Исторический курьез

18 августа 1851 года император Николай I совершил первую поездку из Петербурга в Москву по железной дороге. Императорский поезд был готов к отправлению в 4 часа утра. Начальник строительства дороги, генерал Клейнмихель чтобы подчеркнуть торжественность события, приказал первую версту железнодорожного пути покрасить белой масляной краской. Это было красиво и подчеркивало то обстоятельство, что императорский поезд первым пройдет по нетронутой белизне уходящих вдаль рельсов. Однако Клейнмихель не учел одного обстоятельства. Он забыл о смазочном действии масляной краски, уменьшающем трение, - паровоз буксовал на месте.

Жандармы, подобрав полы шинелей, бежали эту версту перед поездом и осыпали песком покрашенные рельсы.

Рис. 20

Любознательное трение.

С трением связанно очень много интересных вещей и событий. Я хочу рассказать вам о некоторых из них. В конце прошлого века английский промышленник Гарвей прислал в Россию образцы новых броневых плит для защиты кораблей. На испытаниях снаряды тяжелых орудий вместо того, чтобы разбивать плиты, сами разбивались о броню, не принося вреда тому, что могло скрываться за ней. Но вот русские попросили повторить испытания. И снаряды начали разбивать броневые плиты (а позже и пробивать в них отверстия).

Рис. 21

Теперь снаряды были снабжены специальными колпачками из мягкой стали. Колпачок расплющивался, плавился и, с одной стороны, мешал снаряду расколоться, а с другой - служил своеобразной смазкой при его прохождении через броневую плиту.

Изобретателем колпачка был русский ученый и моряк адмирал Макаров.

Рис. 22

Когда-то чтобы добыть огонь, люди брали острую деревянную палочку, упирали её в деревянный брусок и быстро вращали, при достаточном упорстве через некоторое время в месте трения появлялся дым, начиналось тление и возгорание образовавшихся опилок и подложенного, например, сухого мха. Частые неудачи при извлечении огня трением дерево о дерево объяснялись недостаточной сухостью древесины.

Точно известно, что такой способ применялся австралийцами, а также индейцами Южной Америки. При этом способе добычи огня зачастую один человек сменял другого, но вращение не прекращалось, пока не добивались успеха.

Рис. 23

Другой способ добывание огня - высекание искр, и тоже сопровождается трением! Можно получать огонь, нанося по твердому камню удары каким-нибудь металлическим предметом, например, ножом. Такое устройство по извлечению огня существовало с древних времен и позднее стало называться "огниво".

Огниво - это приспособление для получения огня, широко применявшееся до появления спичек. Оно состоит из кресала, "кремня" и трута. Сноп высекаемых при ударе кремня о кресало искр воспламеняет трут.

Кресало (от слова «резать») представляет собой полоску стали с насечкой, необходимой для откалывания от кремня мелких частиц. При этом температура повышается до 900-1100° С, и разогретые частицы воспламеняются. Это похоже на шлифование стального предмета на точильном камне, когда вокруг образуется сноп искр. Впоследствии кресало превратилось в колесико с насечкой, которое нашло свое применение сначала в огнестрельном оружии, а затем в зажигалке.

Рис. 24

А первые спички были изобретены в 1830 году 19-летним французским химиком Шарлем Сориа. Это были фосфорные спички. Эти спички загорались даже от взаимного трения в коробке и при трении о любую твёрдую поверхность, например, подошву сапога. Эти спички не имели запаха, но были вредны для здоровья, так как белый фосфор очень ядовит.

В 1855 году шведский химик Лундстрем начал использовать для производства спичек безвредный красный фосфор. Такие спички легко зажигались о заранее приготовленную поверхность и практически не самовоспламенялись. Первая «шведская спичка» Лундстрема дошедшая практически до наших дней.

Рис. 25

Для пьедестала памятника Петру Первому в Санкт-Петербурге была использована монолитная гранитная глыба весом 80 тыс. пудов. Обнаружена эта глыба была местным крестьянином Вишняковым. Глыбу называли Гром камнем, так как в него однажды ударила молния, отбив большой осколок. Доставили ее в Петербург с берега Финского залива из деревни Лахти. Как же в XVIII веке, не имея ни мощных тягачей, ни подъемных кранов, люди могли совершить такое чудо? Около 9 км пропутешествовал Гром-камень по суше, а потом по Неве на плотах был доставлен в Петербург. Это событие было отмечено особой медалью, на которой была вычеканена надпись: «Дерзновению подобно, 1770 год». Вся Европа только и говорила об этой невиданной операции, какой не повторялось со времен перевозки в древний Рим египетских памятников.

Как же это было сделано?

Невиданный проект передвижения Гром-камня дал кузнец из казенных мужиков, оставшийся, к сожалению, неизвестным. Он предложил перекатить камень на специально отлитых бронзовых шарах, заключенных в салазки. Салазки представляли собой большие бревна с выдолбленными вдоль них желобами, обитыми внутри медью.

Рис. 26

Гранитную глыбу поместили на помост из нескольких рядов плотно уложенных бревен, под которым находились желоба с шарами. Согнанные из ближайших деревень крестьяне при помощи канатов и воротов двигали камень к берегу. Несколько мужиков должны были все время смазывать шары говяжьим салом и переставлять их вперед. 120 дней путешествовал так по суше Гром-камень. Доставленный в Петербург и обработанный мастерами-каменотесами, он стал прекрасным пьедесталом памятника Петру.

Трение в жизни растений и животных.

В жизни многих растений трение играет положительную роль. Например, лианы, хмель, горох, бобы и другие вьющиеся растения благодаря трению могут цепляться за находящиеся поблизости опоры, удерживаются на них и тянутся к свету. Между опорой и стеблем возникают достаточно большое трение, т.к. стебли многократно обвивают опоры и очень плотно прилегают к ним.

Рис. 27

У растений, имеющих корнеплоды, такие, как морковь, свекла, брюква, сила трения о грунт способствует удержанию их в почве. С ростом корнеплода давление окружающей земли на него увеличивается, а это значит, что сила трения тоже возрастает. Поэтому так трудно вытащить из земли большую свеклу, редьку или репу.

Таким растениям, как репейник, трение помогает распространять семена, имеющие колючки с небольшими крючками на концах. Эти колючки зацепляются за шерсть животных и вместе с ними перемещаются. Семена же гороха, орехи благодаря своей шарообразной форме и малому трению качения перемещаются легко сами.

Рис. 28

Организмы многих живых существ приспособились к трению, научились его уменьшать или увеличивать. Тело рыб имеет обтекаемую форму и покрыто слизью, что позволяет им развивать при плавании большую скорость. Щетинистый покров моржей, тюленей, морских львов помогает им передвигаться по суше и льдинам.

У животных и человека образующие сустав кости не касаются друг друга; они покрыты суставным хрящом, который выполняет роль буфера между костными поверхностями

Рис. 29

А по краям хряща прикрепляется синовиальная оболочка, в которой имеется жидкость, уменьшающая трение между суставными поверхностями. Проблема трения и изнашивания в суставах решена природой на таком уровне, о котором инженеры - трибологи могут пока только мечтать. Ежедневные нагрузки, например, в тазобедренном суставе человека превышают тысячу ньютонов при прыжках, а трение и изнашивание практически отсутствует. В результате безотказная работа в течение всей жизни! При действии же органов движения у животных и человека трение проявляется как полезная сила.

Рис. 30

Чтобы увеличить сцепление с грунтом, стволами деревьев, на конечностях животных имеется целый ряд различных приспособлений: когти, острые края копыт, подковные шипы, тело пресмыкающихся покрыто бугорками и чешуйками.

Действие органов хватания (хватательные органы жуков, клешни рака; передние конечности и хвост некоторых пород обезьян; хобот слона) тоже тесно связано с трением.

Ведь предмет или живое существо будет тем прочнее схвачено, чем больше трение между ним и органом хватания. Величина же силы трения находится в прямой зависимости от прижимающей силы.

У многих живых организмов существуют приспособления, благодаря которым трение получается небольшим при движении в одном направлении и резко увеличивается при движении в обратном направлении. Это, например, шерсть и чешуйки, растущие наклонно к поверхности кожи. На этом принципе основано движение дождевого червя.

Рис. 31

Щетинки, направленные назад, свободно пропускают тело червя вперед, но тормозят обратное движение. При удлинении тела головная часть продвигается вперед, а хвостовая остается на месте, при сокращении головная часть задерживается, а хвостовая подтягивается к ней.

Мир без трения

7. Как выглядел бы мир без трения?

А представьте себе... что пол в вашей комнате стал ещё более скользким, чем каток; вот в этом случае вы и получите отдалённое представление о ходьбе в мире без трения - она в таком мире почти невозможна. Люди поминутно падали бы и не могли подняться. Ведь только трение (точнее: трение покоя) позволяет нам отталкиваться ногами, шагая вдоль по ровной дороге.

На столе ничего не лежало бы: при малейшем -наклоне всё съезжало бы на пол, скользило и катилось по нему, стараясь добраться до самого низкого места. В самом деле, ведь только сила трения покоя удерживает предметы на слегка наклонном гладком столе и полу и не даёт им съезжать под действием силы тяжести.

Все узлы немедленно развязывались бы; ведь узлы держатся только благодаря трению одних частей верёвки, шнурка или бечёвки о другие.

Все ткани расползались бы по ниткам, а нитки - в мельчайшие волокна.

Но не только ходить в мире без трения было бы невозможно.

Каким образом, например, мог бы шофёр остановить свою машину? Ведь автомобиль тормозят тем, что прижимают к специальным барабанам, вращающимся вместе с колёсами, тормозные колодки (или ленты). Повернуть машину в мире без трения тоже не удалось бы. Вспомните, что в гололедицу автомобиль не только «идёт юзом», но и не слушается руля. Без трения автомобиль не только нельзя остановить или повернуть, его вообще нельзя заставить катиться. Мотор приводит во вращение задние ведущие колёса автомобиля. Но в мире без трения вращающиеся ведущие колёса автомобиля будут «буксовать», как это часто бывает в зимнее время на обледеневшей дороге. Чтобы колёса катились, необходимо трение их о дорогу.

В мире без трения нельзя было бы ничего толком построить или изготовить: все гвозди выпадали бы из стен, - ведь вбитый гвоздь держится только из-за трения о дерево. Все винты, болты, шурупы вывинчивались бы при малейшем сотрясении - они удерживаются только из-за наличия трения покоя.

Нельзя было бы построить самой простой машины. Приводные ремни, бегущие со шкива на шкив и передающие вращение от моторов к станкам и машинам, немедленно соскакивали бы: ведь именно трение заставляет ремень, надетый на ведущий шкив, двигаться вместе с ним.

И без жидкого трения жизнь на Земле была бы затруднительной. Из-за неравномерного нагревания Солнцем различных участков поверхности Земли воздух над ними не бывает одинаково плотным. Более плотный воздух из холодных мест перемещается в места более тёплые, вытесняя оттуда нагретый воздух. Возникает движение воздуха - ветер. Но при наличии внутреннего трения (вязкости) движение воздуха тормозится, ветер рано или поздно стихает. В мире без трения ветры дули бы с невероятной скоростью.

Реки, текущие с гор, не тормозились бы о берега и дно. Вода в них текла бы всё быстрее и быстрее и, с бешеной силой налетая на излучины берегов, размывала и разрушала бы их. Упавшие в воду глыбы (например, при извержении вулканов) вызывали бы волны, которые бушевали бы, не стихая - ведь усмирявшее их раньше внутреннее трение между слоями воды, а также трение о берега и дно исчезли! Огромные волны на морях и океанах, раз образовавшись, никогда не стихали бы.

Картина мира без трения: ползущие без торможения со склонов гор на равнины громадные каменные глыбы, рассыпающиеся песчаные холмы... Всё, что может двигаться, будет скользить и катиться, пока не окажется на самом низком возможном уровне.

Может быть, одним из полезнейших явлений природы, делающим возможным наше существование, является именно трение?

Заключение

трение диссипативный динамометр

Я выяснила, что человек издавна использует знания о явлении трения, полученные опытным путем. Начиная с ХV-ХV1 веков, знания об этом явлении становятся научными: ставятся опыты по определению зависимостей силы трения от многих факторов, выясняются закономерности.

Теперь я точно знаю, от чего зависит сила трения, а что не влияет на нее. Сила трения зависит: от нагрузки или массы тела; от рода соприкасающихся поверхностей; от скорости относительного движения тел; от размера неровностей или шероховатостей поверхностей. От площади соприкосновения не зависит.

Я могу объяснить все наблюдаемые в практике закономерности строением вещества, силой взаимодействия между молекулами.

Я провела серию экспериментов и получила результаты, которые экспериментально подтвердили все утверждения.

Список литературы

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

2. Л.С. Жданов, В.А. Маранджян Курс физики для средних специальных учебных заведений. В 2-х ч. Ч.1. Механика. Молекулярная физика. М.: Наука, 1971.

3. Иванов А.С., Проказа А.Т. Мир механики и техники: Кн.для учащихся. - М.: Просвещение, 1993.

4. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика Ч.1 Биография физики. Путешествие в глубь материи. Механическая картина мира/Глав. Ред. В.А. Володин. - М.:Аванта+, 2010

5. Детская энциклопедия. Я познаю мир: Физика/сост. А.А. Леонович, под ред. О.Г. Хинн. - М.: ООО «Фирма «Издательство АСТ».2010.-480с

6. Л.П. Лисовский. "Трение в природе и технике", журн. "Квант".

7. Дерягин Б.В. Что такое трение? М.: Изд. АН СССР, 1963.

8. Силин А.А. "Трение и мы" 1987.

Размещено на Allbest.ru

...