Силы трения. Полезное применение трения

Тема: Силы трения

Цель урока: расширить у учащихся представление о силах, сформировать систему понятий о видах силы трения, их природе

Новый материал

Сила трения в земных условиях сопутствует любым движениям тел. Она возникает при соприкосновении двух тел, если эти тела двигаются относительно друг друга. Направлена сила трения всегда вдоль поверхности соприкосновения

На практике все силы сопротивления движению разделяют на силы сухого (внешнего) трения (покоя, скольжения и качения), которые возникают при взаимодействии соприкасающихся твердых тел друг с другом, а также силы вязкого трения, проявляющиеся при движении тела в жидкости или газе.

Рассмотрим на опыте, как проявляется и от чего зависит сила трения покоя. К бруску, лежащему на горизонтальной поверхности, прикрепим динамометр, на который будем действовать в горизонтальном направлении.

Потянем слегка за динамометр, но так, чтобы брусок оставался в покое. Отметим показание прибора и проанализируем результаты нашего действия.

Так как брусок покоится, то по второму закону Ньютона векторная сумма всех сил, действующих на него, равна нулю. Сила тяжести уравновешивается силой упругости стола в вертикальном направлении.

Следовательно, и в горизонтальном направлении воздействие динамометра на брусок должно быть компенсировано какой-то силой. При изучении физики в 7-м классе вы узнали, что так проявляется сила трения покоя F_Tp0. Почему она возникает?

Под микроскопом на поверхности любого твердого тела хорошо видны разнообразные выступы и впадины (рис. 99). Многочисленные неровности соприкасающихся поверхностей цепляются друг за друга, деформируются и препятствуют относительному перемещению тел. Кроме того, расстояние между молекулами, расположенными на выступах соприкасающихся поверхностей, мало, и поэтому возможно электромагнитное взаимодействие молекул.

Все эти сложные взаимодействия в механике характеризуются силой трения покоя, или силой трения сцепления.

Уменьшится ли сила трения покоя, если отшлифовать поверхность тел? Да, уменьшится, но только до определенной степени шлифовки, а при дальнейшей обработке сила трения покоя возрастает. Это происходит потому, что по мере сглаживания неровностей соприкасающихся поверхностей в значительной мере увеличивается число межмолекулярных взаимодействий.

Продолжим опыт, постепенно увеличивая силу воздействия. Показания динамометра увеличиваются, а тело еще покоится, следовательно, и сила трения покоя тоже возрастает. В этом основная особенность силы трения покоя.

Сила трения покоя равна по модулю и направлена противоположно силе, приложенной к покоящемуся телу параллельно поверхности соприкосновения его с другим телом:

Если еще увеличивать действующую силу, то при определенном показании динамометра тело начнет двигаться. Это значит, что существует определенная максимальная сила трения покоя, и действующая сила должна ее превысить, чтобы тело приобрело ускорение.

Вы знаете, что наиболее трудно на практике сдвинуть с места тяжелые предметы. Давайте выясним, почему это так.

Поставим на брусок добавочный груз и измерим максимальную силу трения покоя (рис. 100). Ее численное значение увеличивается. При добавлении еще одного груза сила трения покоя вновь возрастает.

Снимем с бруска грузы и подействуем на него добавочной силой вертикально вниз (рис. 101). Сила трения покоя также увеличивается. Как объяснить эти опыты?

При добавлении грузов, как и при воздействии вертикальной силой, увеличивается сила давления бруска на опору. Опыт показывает, что модуль максимальной силы трения покоя прямо пропорционален силе давления тела на опору:

где μ₀ — коэффициент трения покоя, F_д — сила давления тела на опору.

Коэффициент трения покоя зависит от веществ, из которых изготовлены соприкасающиеся тела, и степени обработки их поверхностей.

Сила трения покоя удерживает тело, лежащее на наклонной плоскости (рис. 102), а также брусок, прижимаемый к вертикальной стене (рис.103). Чем тяжелее брусок, тем больше должна быть сила трения покоя, чтобы уравновешивать силу тяжести. Поэтому тяжелый брусок приходится прижимать к стене со значительной по модулю силой.

По третьему закону Ньютона F_д = -N, где N ‒ сила нормальной реакции опоры, действующая на тело. Так как F_д = N, то часто используют формулу:

Термин «скольжение» в физике используется для описания движения одного тела по поверхности другого тела.

Рассмотрим равномерное движение бруска по горизонтальной поверхности доски (рис. 106), т. е. его скольжение по опоре. Мы действуем с определенной горизонтальной силой на динамометр, а он передает наше воздействие бруску и показывает модуль действующей на брусок силы. Если скорость бруска постоянна, то силу, вызывающую движение, должна компенсировать сила взаимодействия бруска с опорой.

При изучении физики в 7-м классе вы узнали, что эта сила называется силой трения скольжения. Она возникает из-за электромагнитного взаимодействия молекул на неровностях соприкасающихся поверхностей, зацепления неровностей и их пластичной деформации при относительном движении тел.

Из эксперимента следует, что сила трения скольжения, действующая на тело, направлена противоположно направлению его движения. По третьему закону Ньютона на опору при движении тела действует сила трения скольжения F_Tp, направленная в сторону движения тела.

Поместим на брусок груз такой же массы и будем тянуть горизонтально динамометр так, чтобы брусок с грузом двигался равномерно (рис. 107). Динамометр при этом покажет вдвое большую силу. Если еще увеличить массу бруска, то сила трения скольжения также возрастет.

Опыты показывают, что модуль силы трения скольжения прямо пропорционален модулю силы нормального давления:

где μ — коэффициент трения скольжения. Так как по третьему закону Ньютона F_д = N, то можно записать

Рассмотрим равномерное движение бруска с грузом по другой стороне доски, более шероховатой (рис. 108). При постоянной скорости движения динамометр показывает большую силу, хотя сила нормального давления не изменилась. Значит, изменился коэффициент трения скольжения, и именно он зависит от качества обработки соприкасающихся поверхностей.

Если заменить доску листом стекла или другого материала, то показания динамометра снова изменятся, т. е. коэффициент трения зависит от свойств обоих веществ соприкасающихся поверхностей.

Однако опыт показывает, что коэффициент трения не зависит от относительного положения тел. Например, коэффициент трения льда по железу такой же, как и железа при скольжении по льду.

При движении твердого тела в жидкости или газе также возникает сила сопротивления движению, которую в этих случаях называют силой жидкого или вязкого трения.

Экспериментально установлено, что сила, действующая на движущееся тело в жидкости или газе, также направлена в сторону, противоположную движению, но численно она во много раз меньше силы трения скольжения при небольших скоростях движения.

В отличие от сухого трения для тела в жидкости или газе отсутствует сила трения покоя и даже самая маленькая сила, приложенная к телу, вызывает его движение, если этому не препятствуют другие силы. Следовательно, сила вязкого трения не противодействует возникновению движения, и поэтому в механизмы вводят разнообразные смазки для движущихся друг относительно друга частей.

Проведем опыт. Возьмем два одинаковых тетрадных листа и отпустим в горизонтальном положении с одной высоты (рис. 111, а). Листы плавно и почти одновременно упадут на пол. Сделаем из одного листа плотный и маленький комок, а другой лист просто сомнем и повторим опыт. Первым упадет маленький комок (рис. 111, б). Как вы думаете, почему, ведь массы листов одинаковы?

Да, вы правы, сопротивление воздуха движению тел зависит от их формы и размеров. На рисунке 112 показаны тела различной формы: диск, шар и каплеобразное тело, у которых площади одного из поперечных сечений одинаковы.

При движении этих тел в жидкости или газе в направлении, перпендикулярном этому сечению, наибольшая сила вязкого трения действует на плоскую шайбу, а наименьшая ‒ на тело каплеобразной формы.

Форму тела, при которой сила вязкого трения (сопротивления) мала, называют обтекаемой и ее стараются придать телам, движущимся в жидкости или газе. Обтекаемую форму имеют ракеты и самолеты, подводные лодки и скоростные автомобили.

Установлено, что сила вязкого трения зависит от скорости движения тела. При малых скоростях ее модуль прямо пропорционален скорости движения тела относительно среды:

где k₁ — коэффициент сопротивления, зависящий от формы, размеров тела, состояния его поверхности и свойств среды.

При больших скоростях движения модуль силы сопротивления пропорционален квадрату скорости:

Это объясняется тем, что при большой скорости тела возникают сложные движения слоев среды, и поэтому появляется добавочное сопротивление.

Качественный график зависимости проекции силы сопротивления на направление скорости от модуля скорости представлен на рисунке 113. Сила сопротивления всегда направлена противоположно скорости. Если скорость невелика, то сила сопротивления линейно зависит от скорости, а при больших скоростях график имеет вид параболы.

Следовательно, при ускоренном движении тела в жидкости или газе, например под действием силы тяжести, вместе с ростом скорости растет и сила вязкого трения. При некотором значении скорости тела сила вязкого трения становится равной его силе тяжести, и затем тело движется с установившейся скоростью, тем большей, чем больше сила тяжести тела.

Например, размеры и форма парашюта подбираются с таким расчетом, чтобы скорость установившегося движения была безопасной для человека при его приземлении ‒ около 6 ‒. При нераскрытом парашюте сила вязкого трения станет равной силе тяжести только при весьма большой скорости падения ‒ около 50—60 м/с

Учет всех сил сопротивления на практике достаточно сложен, поэтому при решении задач нужно внимательно прочесть условие и оценить, какой вид трения необходимо учесть и каким в данных условиях можно пренебречь.