Исследовательская работа по физике "Влажная уборка"

ВЛАЖНАЯ УБОРКА. Расправленную мокрую тряпку трудно тащить по полу. Подумаем, от чего зависит сила сопротивления при движении тряпки.

Гипотеза:

1. Для того чтобы сила сопротивления тряпки была наибольшая, необходимо взять ткань большего размера, имеющую свойство смачиваться, намочить как можно больше. Кроме того необходимо, чтобы пол был не гладкой, а шероховатой поверхности (ситец, махровое полотенце).

2. Для того чтобы сила сопротивления тряпки была наименьшая, необходимо взять ткань меньшего размера, имеющую свойство смачиваться минимально, намочить как можно меньше. Кроме того необходимо, чтобы пол был гладкой, а не шероховатой поверхности (драп, синтетическая ткань).

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Сила трения

Трение - процесс взаимодействия твёрдых тел при их относительном движении (смещении) либо при движении твёрдого тела в газообразной или жидкой среде. По-другому называется фрикционным взаимодействием. Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется механикой фрикционного взаимодействия, или трибологией.

При наличии относительного движения двух контактирующих тел силы трения, возникающие при их взаимодействии, можно подразделить на:

Трение скольжения — сила, возникающая при поступательном

2

перемещении одного из контактирующих (взаимодействующих) тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения;

Трение качения — сила, возникающая при качении одного из двух контактирующих (взаимодействующих) тел относительно другого;

При отсутствии относительного движения двух контактирующих тел и наличии сил, стремящихся осуществить такое движение, в ряде ситуаций возникает

Трение покоя - сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного движения.

В физике взаимодействия трение принято разделять на:

• сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками — очень редко встречающийся на практике случай. Характерная отличительная черта сухого трения — наличие значительной силы трения покоя;

• жидкостное (вязкое), при взаимодействии тел, разделённых слоем твёрдого тела (порошком графита), жидкости или газа (смазки) различной толщины — как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость, величина вязкого трения характеризуется вязкостью среды;

• смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;

• граничное, когда в области контакта могут содержаться слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкости т. д.) —

3

наиболее распространённый случай при трении скольжения.

В связи со сложностью физико-химических процессов, протекающих в зоне фрикционного взаимодействия, процессы трения принципиально не поддаются описанию с помощью методов классической механики.

Основной характеристикой трения является коэффициент трения μ, который определяется материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел.

В простейших случаях сила трения F и нормальная нагрузка (или сила нормальной реакции) N связаны неравенством обращающимся в равенство только при наличии относительного движения.

В большинстве традиционных механизмов трение играет отрицательную роль, уменьшая КПД механизма. Для уменьшения силы трения используются различные натуральные и синтетические масла и смазки. В современных механизмах для этой цели используется также напыление покрытий (тонких плёнок) на детали. С миниатюризацией механизмов и созданием микроэлектромеханических систем и наноэлектромеханических систем величина трения по сравнению с действующими в механизме силами увеличивается и становится весьма значительной , и при этом не может быть уменьшена с помощью обычных смазок, что вызывает значительный теоретический и практический интерес инженеров и учёных к данной области. Для решения проблемы трения создаются новые методы его снижения в рамках трибологии и науки о поверхности.

Наличие трения обеспечивает возможность перемещаться по поверхности. Так, при ходьбе именно за счёт трения происходит сцепление подошвы с полом, в результате чего происходит оттаки-

4

вание от пола и движение вперёд. Точно так же обеспечивается сцепление колёс автомобиля с поверхностью дороги. В частности, для увеличения величины этого сцепления разрабатываются специальные типы резины для покрышек, а на гоночные болиды устанавливаются «антикрылья», сильнее прижимающие машину к трассе.

Вес

Вес — сила воздействия тела на опору (или другой вид крепления в случае подвешенных тел), возникающая в поле сил тяжести. Единица измерения веса в СИ — ньютон. Вес в инерциальной системе отсчёта совпадает с силой тяжести и пропорционален массе и ускорению свободного падения в данной точке:

Значение веса (при неизменной массе тела) пропорционально ускорению свободного падения, которое зависит от высоты над земной поверхностью, и, ввиду несферичности Земли от географических координат точки измерения. Другим фактором, влияющим на ускорение свободного падения и, соответственно, вес тела, являются гравитационные аномалии, обусловленные особенностями строения земной поверхности и недр в окрестностях точки измерения.

При движении системы тело — опора (или подвес) относительно инерциальной системы отсчёта c ускорением вес перестаёт совпадать с силой тяжести:

В результате из-за суточного вращения Земли существует широтное уменьшение веса: на экваторе примерно на 0,3 % меньше, чем на полюсах.

Широтное уменьшение веса

5

Вес можно измерять с помощью пружинных весов, которые могут служить и для косвенного измерения массы, если их соответствующим образом проградуировать; рычажные весы в такой градуировке не нуждаются, так как в этом случае сравниваются массы, на которые действует одинаковое ускорение свободного падения или сумма ускорений в неинерциальных системах отсчёта. При взвешивании с помощью технических пружинных весов вариациями ускорения свободного падения обычно пренебрегают, так как влияние этих вариаций обычно меньше практически необходимой точности взвешивания.

На вес тела в жидкой или газообразной среде влияет также сила Архимеда, таким образом, вес тела, погружённого в среду, уменьшается на вес вытесненного объёма среды; в случае если плотность тела меньше плотности среды вес становится отрицательным (то есть на тело действует выталкивающая сила). Сила Архимеда может оказать влияние и на взвешивание с помощью рычажных весов, если сравниваются тела с различной плотностью.

Состояние отсутствия веса (невесомость) наступает при удалении тела от притягивающего объекта, либо когда тело находится в свободном падении, то есть .

В современной науке вес и масса — разные понятия. Вес — сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или вертикальный подвес. Масса же не является силовым фактором; масса — мера инертности тела. Например, в условиях невесомости у всех тел вес равен нулю, а масса у каждого тела своя. И, если, покоясь на весах, показания последних будут нулевыми, то при ударе по весам тел с одинаковыми скоростями воздействие будет разным.

Вместе с тем о разнице веса и массы стало известно относитель-

6

но недавно, и во многих повседневных ситуациях слово «вес» продолжает использоваться, когда фактически речь идет о «массе». Например, мы говорим, что какой-то объект «весит один килограмм», несмотря на то, что килограмм представляет собой единицу массы. Кроме того, термин «вес» в значении «масса» традиционно используется в цикле наук о человеке — в сочетании «вес тела человека».

Смачивание

Смачивание — это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкости. Смачивание бывает двух видов:

• Иммерсионное (вся поверхность твёрдого тела контактирует с жидкостью)

• Контактное (состоит из трёх фаз — твердая, жидкая, газообразная)

Смачивание зависит от соотношения между силами сцепления молекул жидкости с молекулами (или атомами) смачиваемого тела (адгезия) и силами взаимного сцепления молекул жидкости (когезия).

Степень смачивания характеризуется углом смачивания. Угол смачивания (или краевой угол смачивания) это угол, образованный касательными плоскостями к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, а вершина угла лежит на линии раздела трёх фаз. Измеряется методом лежащей капли. В случае порошков надёжных методов, дающих высокую степень воспроизводимости. Предложен весовой метод определения степени смачивания, но он пока не стандартизован.

Измерение степени смачивания весьма важно во многих отраслях промышленности (лакокрасочная, фармацевтическая, космети-

7

ческая и т. д.). К примеру, на лобовые стёкла автомобилей наносят особые покрытия, которые должны быть устойчивы против разных видов загрязнений. Состав и физические свойства покрытия стёкол и контактных линз можно сделать оптимальным по результатам измерения контактного угла.

К примеру, популярный метод увеличения добычи нефти при помощи закачки воды в пласт исходит из того, что вода заполняет поры и выдавливает нефть. В случае мелких пор и чистой воды это далеко не так, поэтому приходится добавлять специальные вещества. Оценку смачиваемости горных пород при добавлении различных по составу растворов можно измерить различными приборами.

Опыты

Для начала выясним: давит ли тряпка на пол и почему? Да, тряпка давит на пол по двум причинам: сила тяжести тряпки, сила веса жидкости, находящейся в тряпке. Кроме того перемещать тряпку по полу трудно, когда пол не гладкий.

Проведем опыты.

Приборы и материалы: динамометр на 4 Н, динамометр на 12 Н, ткани разной структуры, половое покрытие, парта, подоконник, весы, вода.

8

Таблица 1.

Таблица 2

Результаты опытов подтвердили наше предположение о том, что сила сопротивления при движении тряпки зависит от веса тряпки и ее смоченности. Но проведенные опыты показали еще несколько причин зависимости силы сопротивления при движении тряпки. Во-первых, это структура материала (шелк, ситец, драп, синтетика и др.). Во-вторых, это гладкость поверхности (свойство верхнего

9

слоя поверхности: гладкая или шероховатая поверхности). А из структуры волокна вытекла еще одна причина: смачиваемость ткани.

В результате проделанных опытов можем сделать выводы, что сила сопротивления при движении тряпки зависит от:

- силы тяжести тряпки (веса тряпки);

- веса жидкости смоченной тряпки;

- материала тряпки (структура ткани);

- смачиваемости ткани;

- свойства верхнего слоя поверхности.

Вывод

Проведенные опыты подтверждают действие на тряпку сил сопротивления. Вес тряпки сухой и смоченной доказывают зависимость силы сопротивления от силы тяжести тряпки и веса воды в тряпке. Так как сила тяжести и вес направлены перпендикулярно поверхности, то они препятствуют движению тряпки.

Причины возникновения силы трения доказывают зависимость силы сопротивления при движении тряпки от рода поверхности и структуры ткани, а так же возможности смачивания ткани.

Проведенные нами опыты и вычисления подтверждают выдвинутую нами гипотезу о том, что сила сопротивления тряпки зависит от веса тряпки, веса жидкости в ней, свойства смачивания ткани, структуры ткани и покрытия поверхности.

10

Оглавление

Введение………………………………………………………………………2

Основная часть

Сила трения……………………………..………………………………..2

Вес…………………………………………………………………………5

Смачивание………….……………………………………………...........7

Опыты……………..……………………………………..........................8

Заключение…………………………………………………………...............10

Литература………..…….………………………………………………........11

1

ЛИТЕРАТУРА

1. Физика : учеб. для 7 кл. общеобразоват. учреждений / С. В. Громов, Н. А. Родина. – 6-е изд. – М. : Просвещение, 2007. – 158 с. : ил.

2. Физика. 7кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений / А. В. Пёрышкин. – М. : Дрофа, 2012. – 221, [3] с. : ил.

3. Рачлис Х. Физика в ванне: Пер. с англ. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. – 96 с. – (Библиотечка «Квант». Вып. 51.)

Интернет-сайты

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Смачивание

2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Сила_тяжести

3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Сила_трения

11

МКОУ Среднекарачанская ООШ

«Влажная уборка»

Выполнили: учащиеся 8 класса

Волков Сергей,

Синицын Максим

Учитель: Афанасьев А. С.

2013

Влажная уборка

Выполнили: учащиеся 8 класса

Волков Сергей,

Синицын Максим

Учитель: Афанасьев А. С.

Расправленную мокрую тряпку трудно тащить по полу.

Подумаем, от чего зависит сила сопротивления при

движении тряпки.

Гипотеза:

• 1 . Для того чтобы сила сопротивления тряпки была наибольшая, необходимо взять ткань большего размера, имеющую свойство смачиваться, намочить как можно больше. Кроме того необходимо, чтобы пол был не гладкой, а шероховатой поверхности (ситец, махровое полотенце).
• 2 . Для того чтобы сила сопротивления тряпки была наименьшая, необходимо взять ткань меньшего размера, имеющую свойство смачиваться минимально, намочить как можно меньше. Кроме того необходимо, чтобы пол был гладкой, а не шероховатой поверхности (драп, синтетическая ткань).

Опыты

Таблица 1.

Материал

Вес ткани

Фланель

Вес смоченной ткани

83 г

Махровое полотенце

Сила, необходимая для перемещения ткани по гладкой поверхности

240 г

Шерсть

80 г

Шёлк

73 г

250 г

2,8 Н

Сила, необходимая для перемещения ткани по шероховатой поверхности

3 Н

6 Н

260 г

40 г

3,3 Н

2 Н

70 г

2,4 Н

1 Н

1,3 Н

Таблица 2

Материал

Вес ткани

Фланель

Вес более смоченной ткани

83 г

Махровое полотенце

Сила, необходимая для перемещения ткани по гладкой поверхности

280 г

Шерсть

80 г

Шёлк

73 г

300 г

3,5 Н

Сила, необходимая для перемещения ткани по шероховатой поверхности

4,5 Н

7,4 Н

330 г

40 г

6,5 Н

2,4 Н

100 г

5,5 Н

9 Н

11 Н

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные нами опыты и вычисления подтверждают выдвинутую нами гипотезу о том, что сила сопротивления тряпки зависит от веса тряпки, веса жидкости в ней, свойства смачивания ткани, структуры ткани и покрытия поверхности.

Спасибо за внимание!