(Занятие каникулярной школы для учащихся 8–9 кл.)
Цель:
- Активизация мыслительной деятельности учащихся.
- Формирование обобщенного умения проводить физические измерения.
- Формирование обобщенного умения проводить экспериментальную проверку
физических закономерностей. - Формирование умения систематизировать полученные результаты в виде
таблицы, умение делать вывод на основе эксперимента.
Организация проведения практикума: Все учащиеся принимающие участие в
работе практикума делятся на группы. Каждая группа учащихся получает задание с
кратким описанием работы.
По окончании выполнения работы учащимся необходимо составить отчет. Отчет
состоит из таблицы, вычисления искомой величины и ее погрешности, вывода по
работе.
Ход работы
I. Вступительное слово учителя:
Если положить на горизонтальную поверхность брусок и подействовать на него с
достаточной силой в горизонтальном направлении, то брусок станет двигаться.
Нетрудно убедиться, что в этом случае на брусок действуют четыре силы: в
вертикальном направлении – сила тяжести P и сила реакции опоры Q, равные по
модулю противоположные по направлению; в горизонтальном направлении – сила тяги
F и
противоположная по направлению сила трения Fmp.
Чтобы брусок двигался равномерно и прямолинейно, нужно, чтобы
модуль силы тяги был равен модулю силы трения.
На этом основан метод измерения силы трения. Следует приложить к бруску силу
тяги, которая будет поддерживать равномерное прямолинейное движение этого тела.
По этой силе тяги определяют модуль силы трения.
II. Практикум.
Задание группе I.
Определите коэффициент трения скольжения при движении бруска по
горизонтальной поверхности стола.
Оборудование: трибометр, деревянная
линейка, деревянный бруска с тремя отверстиями; динамометр; набор грузов по
механике.
Порядок выполнения работы.
- Вычислите цену деления шкалы динамометра.
- Измерьте вес бруска при помощи динамометра. Результат измерения веса
запишите в таблицу. - Измерьте силу трения скольжения бруска с грузами по столу. Для этого
перемещайте брусок с грузами равномерно по столу при помощи динамометра. - Результат измерения запишите в таблицу.
- Нагружая брусок одним, двумя и тремя грузами, измерьте в каждом случае
силу трения. Данные занесите в таблицу. - Вычислите коэффициент трения скольжения
- Определите инструментальную погрешность коэффициента трения.
- Сделайте вывод.
Легко убедиться, что в случае движения тела по горизонтальной поверхности
сила нормального давления равна силе тяжести, действующей на это тело:
N = P.
Это позволяет вычислить коэффициент трения:
Цена деления шкалы динамометра, ц.д
= 0,1 Н.
1. Определили вес бруска и груза с помощью динамометра, записали в таблицу.
2. Двигая брусок равномерно по деревянной линейке, определили силу тяги,
которая равна силе трения. Записали ее значение в таблицу.
| Количество грузов | Fтр, H |
P, H |
µ |
| Без груза | 0,6 ± 0,1 | ||
| Один груз | 0,3 ± 0,1 | 1,6 ± 0,1 | 0,18 ± 0,06 |
| Два груза | 0,5 ± 0,1 | 2,6 ± 0,1 | 0,19 ± 0,04 |
| Три груза | 0,7 ± 0,1 | 3,6 ± 0,1 | 0,19 ± 0,03 |
3. Определили коэффициент трения для каждого измерения силы трения, занесли
их в таблицу.
4. Определили погрешность измерения для каждого значения коэффициента
силы трения.
Вывод:
1. Коэффициент трения равен 0,2.
2. Инструментальная погрешность измерения равна 0,06.
3. Коэффициент трения скольжения при взаимном движении тела по поверхности стола
является величиной постоянной не зависящей от силы нормального давления.
2. Сравните коэффициент трения покоя, скольжения и качения. Сделайте вывод.
Оборудование: динамометр, брусок деревянный, грузы с двумя
крючками – 2 шт., карандаши круглые – 2 шт.
Порядок выполнения работы.
1. Вычислите цену деления шкалы динамометра.
2. Измерьте вес бруска с двумя грузами при помощи динамометра. Результат
измерения веса запишите в тетрадь.
3. Измерьте максимальную силу трения покоя бруска по столу. Для этого
положите брусок на стол, а на брусок два груза; к бруску прицепите динамометр и
приведите брусок с грузами в движение. Запишите показания динамометра,
соответствующее началу движения бруска.
4. Измерьте силу трения скольжения бруска с грузами по столу. Для этого
перемещайте брусок с грузами равномерно по столу при помощи динамометра.
Результат измерения силы запишите в тетрадь.
5. Измерьте силу трения качения бруска по столу. Для этого положите
брусок с двумя грузами на два круглых карандаша и перемещайте равномерно брусок
по столу при помощи динамометра. Результат измерения силы запишите в тетрадь.
6. Сделайте вывод о том, какая сила больше:
а) вес тела или максимальная сила трения покоя?
б) максимальная сила трения покоя или сила трения скольжения?
в) сила трения скольжения или сила трения качения?
7. Сравните коэффициент трения покоя, трения скольжения и трения качения.
Цена деления шкалы динамометра, ц.д = 0,1 Н.
| Вид трения | Fтр, H |
P, H |
µ |
| Трение покоя | 0,9 ± 0,1 | 2,6 ± 0,1 | 0,35 |
| Трение скольжения | 0,5 ± 0,1 | 2,6 ± 0,1 | 0,19 |
| Трение качения | 0,1 ± 0,1 | 2,6 ± 0,1 | 0,04 |
Вывод:
а) Вес тела больше чем максимальная сила трения покоя.
б) Максимальная сила трения покоя больше чем сила трения скольжения.
в) Сила трения скольжения больше чем сила трения качения.
г) При неизменном весе тела, наименьшее значение коэффициент трения имеет при
качении тела, а наибольшее в случае покоя.
3. Определите коэффициент трения скольжения при движении бруска вдоль
поверхности резины, нешлифованной деревянной рейки, наждачной бумаги.
Оборудование: динамометр, брусок деревянный, грузы с двумя
крючками – 2 шт., отрез линолеума, деревянная нешлифованная рейка, наждачная
бумага.
Порядок выполнения работы.
1. Вычислите цену деления шкалы динамометра.
2. Измерьте вес бруска при помощи динамометра. Результат измерения веса запишите
в таблицу.
3. Измерьте силу трения скольжения бруска с грузами по поверхности резины,
деревянной нешлифованной линейки и по поверхности наждачной бумаги. Для этого
перемещайте брусок с грузами равномерно по столу при помощи динамометра.
Результат измерения запишите в таблицу.
4. Вычислите коэффициент трения скольжения.
5. Сделайте вывод.
Цена деления шкалы динамометра, ц.д = 0,1 Н.
| Виды трущихся поверхностей | Fтр, H |
P, H |
µ |
| Дерево по дереву (гладкая поверхность) | 0,5 ± 0,1 | 2,6 ± 0,1 | 0,19 |
| Дерево по дереву (нешлифованная деревянная рейка) |
0,9 ± 0,1 | 2,6 ± 0,1 | 0, 35 |
| Дерево по линолеуму | 1,1 ± 0,1 | 2,6 ± 0,1 | 0, 42 |
| Дерево по наждачной бумаге | 2,6 ± 0,1 |
Вывод:
1. Сила трения:
а) зависит от рода трущихся поверхностей.
б) зависит от шероховатости трущихся поверхностей.
в) чем больше шероховатости поверхности, тем коэффициент трения больше.
2. Способы увеличения или уменьшения силы трения скольжения:
Увеличить: увеличить шероховатость трущихся поверхностей, насыпать между
трущихся поверхностей частицы (стружку, опилки, песок).
Уменьшить: шлифовка, полировка трущихся поверхностей, нанесение смазки.
Задание группе II.
Измерение коэффициент трения скольжения, используя наклонную плоскость
Оборудование: линейка деревянная от трибометра, брусок деревянный,
линейка измерительная, штатив.
Порядок выполнения работы.
1. Используя штатив, закрепите линейку под углом к столу.
2. Положите брусок на закрепленную под углом деревянную линейку.
3. Меняя угол наклона линейки, найдите такой максимальный угол, при котором
брусок еще покоится.
4. Измерьте длину основания линейки и высоту подъема линейки.
5. Рассчитайте значение коэффициента трения скольжения дерева о дерево по
формуле:
6. Рассчитайте погрешность измерения.
7. Вывод.
Экспериментальные данные.
Измерили высоту подъема и длину основания линейки.
Вывод:
1. Коэффициент трения равен 0,3.
2. Погрешность измерения равна 0,0016.
2. Измерение коэффициента трения скольжения, через опрокидывание
бруска
Оборудование: брусок деревянный, линейка деревянная от
трибометра, нить, линейка ученическая.
Порядок выполнения работы.
Теоретическое обоснование: Брусок с привязанной к длинной грани нитью
поставьте торцом на горизонтальную поверхность стола и тяните за нить. Если нить
закреплена невысоко над поверхностью стола, то брусок будет скользить. При
определенной высоте h точки А крепления нити сила натяжения нити F опрокидывает
брусок.
Условия равновесия для этого случая относительно точки – угла опрокидывания:
Fh – mga/2
= 0;
Согласно II закону Ньютона:
F – Fтр
= 0;
N – mg =
0.
Обработка результатов.
1. Рассчитайте по формуле значение коэффициента трения скольжения дерева о
дерево.
2. Определите погрешность измерений.
3. Запишите полученный ответ с учетом допущенных погрешностей измерений.
4. Сделайте вывод.
Экспериментальный расчет.
a = 45 ± 1 мм, h
= 80 ± 1 мм.
Вывод:
1. Коэффициент трения равен 0,28.
2. Инструментальная погрешность измерения равна 0,0098.
3. Измерение коэффициента трения скольжения с помощью карандаша.
Оборудование: карандаш, линейка деревянная от трибометра, линейка
ученическая.
Порядок выполнения работы.
Теоретическое обоснование: Поставьте карандаш на стол вертикально,
нажмите на него, наклоните и наблюдайте характер его падения. При небольших
углах наклона к вертикали карандаш не проскальзывает относительно поверхности
стола при любой величине силы, прижимающей его к столу. Проскальзывание
начинается с некоторого критического угла, зависящего от силы трения.
Записываем второй закон Ньютона в проекциях на координатные оси при угле
наклона, равном критическому. (Силой тяжести mg, действующей на карандаш, по
сравнению с большой силой F пренебрегаем).
Обработка результатов:
1. Рассчитайте по формуле значение коэффициента трения скольжения дерева о
дерево.
2. Определите погрешность измерений.
3. Запишите полученный ответ с учетом допущенных погрешностей измерений.
4. Сделайте вывод.
Экспериментальный расчет.
1. Обработка результатов
α =
300,
µ= tgα
= sina /cosa
µ = 0,58
Вывод:
1. Коэффициент трения равен 0,58.
III. Подведение итогов практикума:
Сила трения скольжения зависит:
а) От рода трущихся поверхностей.
б) От шероховатости трущихся поверхностей.
в) Прямо пропорционально от силы давления.
г) Коэффициент трения скольжения при взаимном движении тела по поверхности
является величиной постоянной не зависящей от силы нормального давления.
д) Чем больше шероховатости поверхности, тем коэффициент трения больше.
Приложение.
Цель работы: определить коэффициент трения деревянного бруска, скользящего по деревянной линейке, используя формулу Fтр = = μР. С помощью динамометра измеряют силу, с которой нужно тянуть брусок с грузами по горизонтальной поверхности так, чтобы он двигался равномерно. Эта сила равна по модулю силе трения Fтp, действующей на брусок. С помощью того же динамометра можно найти вес бруска с грузом. Этот вес по модулю равен силе нормального давления N бруска на поверхность, по которой он скользит. Определив таким образом значения силы трения при различных значениях силы нормального давления, необходимо построить график зависимости Fтр от Р и найти среднее значение коэффициента трения (см. работу № 2).
Основным измерительным прибором в этой работе является динамометр. Динамометр имеет погрешность Δд =0,05 Н. Она и равна погрешности измерения, если указатель совпадает со штрихом шкалы. Если же указатель в процессе измерения не совпадает со штрихом шкалы (или колеблется), то погрешность измерения силы равна ΔF = = 0,1 Н.
Средства измерения: динамометр.
Материалы: 1) деревянный брусок; 2) деревянная линейка; 3) набор грузов.
Порядок выполнения работы
1. Положите брусок на горизонтально расположенную деревянную линейку. На брусок поставьте груз.
2. Прикрепив к бруску динамометр, как можно более равномерно тяните его вдоль линейки. Замерьте при этом показание динамометра.
3. Взвесьте брусок и груз.
4. К первому грузу добавьте второй, третий грузы, каждый раз взвешивая брусок и грузы и измеряя силу трения.
По результатам измерений заполните таблицу:
|
Номер опыта |
Р, Н |
ΔP, Н |
Fтр, Н |
ΔFтр, Н |
5. По результатам измерений постройте график зависимости силы трения от силы давления и, пользуясь им, определите среднее значение коэффициента трения μср (см. работу № 2).
6. Рассчитайте максимальную относительную погрешность измерения коэффициента трения. Так как
(см. формулу (1) работы № 2).
Из формулы (1) следует, что с наибольшей погрешностью измерен коэффициент трения в опыте с одним грузом (так как в этом случае знаменатели имеют наименьшее значение) .
7. Найдите абсолютную погрешность
и запишите ответ в виде:
Требуется определить коэффициент трения скольжения деревянного бруска, скользящего по деревянной линейке.
Сила трения скольжения
где N — реакция опоры; μ — ко
эффициент трения скольжения, откуда μ=Fтр/N;
Сила трения по модулю равна силе, направленной параллельно поверхности скольжения, которая требуется для равномерного перемещения бруска с грузом. Реакция опоры по модулю равна весу бруска с грузом. Измерения обоих сил проводятся при помощи школьного динамометра. При перемещении бруска по линейке важно добиться равномерного его движения, чтобы показания динамометра оставались постоянными и их можно было точнее определить.
Выполнение работы:
|
№ опыта |
Вес бруска с грузом Р, Н |
Сила трения Fтр, H |
μ |
|
1 |
1,35 |
0,4 |
0,30 |
|
2 |
2,35 |
0,8 |
0,34 |
|
3 |
3,35 |
1,3 |
0,38 |
|
4 |
4,35 |
1,7 |
0,39 |
Вычисления:
Рассчитаем относительную погрешность:
Так как
Видно, что наибольшая относительная погрешность будет в опыте с наименьшим грузом, т.к. знаменатель меньше
Рассчитаем абсолютную погрешность
Так как
Видно, что наибольшая относительная погрешность будет в опыте с наименьшим грузом, т.к. знаменатель меньше.
Рассчитаем абсолютную погрешность
Полученный в результате опытов коэффициент трения скольжения можно записать как: μ = 0,35 ± 0,05.
{mu = dfrac{F_{тр}}{mg}}
Ускорение свободного падения g
Приводим 2 варианта нахождения коэффициента трения — зная силу трения и массу тела или зная угол наклона. Для обоих вариантов вы найдете удобные калькуляторы и формулы для расчета.
Коэффициент трения представляет собой безразмерную скалярную величину, которая равна отношению силы трения между двумя телами и силы, прижимающей их друг к другу, во время или в начале скольжения.
Коэффициент трения чаще всего обозначают греческой буквой µ («мю»).
Следует помнить, что коэффициент трения (μ) величина безразмерная, то есть не имеет единицы измерения.
Коэффициент трения зависит от качества обработки трущихся поверхностей, скорости движения тел относительно друг друга и материала соприкасающихся поверхностей. В большинстве случаев коэффициент трения находится в пределах от 0,1 до 0,5 (см. таблицу).
Содержание:
- калькулятор коэффициента трения
- формула коэффициента трения через силу трения и массу
- формула коэффициента трения через угол наклона
- таблица коэффициентов трения
- примеры задач
Формула коэффициента трения через силу трения и массу
mu = dfrac{F_{тр}}{mg}
Fтр — сила трения
m — масса тела
g — ускорение свободного падения (в большинстве задач можно принять g=9.81 м/с²)
Формула коэффициента трения через угол наклона
mu = tg(alpha)
α — угол наклона
Таблица коэффициентов трения скольжения для разных пар материалов
| Трущиеся материалы (при сухих поверхностях) | Коэффициенты трения | |
|---|---|---|
| покоя | при движении | |
| Резина по сухому асфальту | 0,95-1,0 | 0,5-0,8 |
| Резина по влажному асфальту | 0,25-0,75 | |
| Алюминий по алюминию | 0,94 | |
| Бронза по бронзе | 0,20 | |
| Бронза по чугуну | 0,21 | |
| Дерево по дереву (в среднем) | 0,65 | 0,33 |
| Дерево по камню | 0,46-0,60 | |
| Дуб по дубу (вдоль волокон) | 0,62 | 0,48 |
| Дуб по дубу (перпендикулярно волокнам) | 0,54 | 0,34 |
| Железо по железу | 0,15 | 0,14 |
| Железо по чугуну | 0,19 | 0,18 |
| Железо по бронзе (слабая смазка) | 0,19 | 0,18 |
| Канат пеньковый по деревянному барабану | 0,40 | |
| Канат пеньковый по железному барабану | 0,25 | |
| Каучук по дереву | 0,80 | 0,55 |
| Каучук по металлу | 0,80 | 0,55 |
| Кирпич по кирпичу (гладко отшлифованные) | 0,5-0,7 | |
| Колесо со стальным бандажем по рельсу | 0,16 | |
| Лед по льду | 0,05-0,1 | 0,028 |
| Метал по аботекстолиту | 0,35-0,50 | |
| Метал по дереву (в среднем) | 0,60 | 0,40 |
| Метал по камню (в среднем) | 0,42-0,50 | |
| Метал по металу (в среднем) | 0,18-0,20 | |
| Медь по чугуну | 0,27 | |
| Олово по свинцу | 2,25 | |
| Полозья деревянные по льду | 0,035 | |
| Полозья обитые железом по льду | 0,02 | |
| Резина (шина) по твердому грунту | 0,40-0,60 | |
| Резина (шина) по чугуну | 0,83 | 0,8 |
| Ремень кожаный по деревянному шкиву | 0,50 | 0,30-0,50 |
| Ремень кожаный по чугунному шкиву | 0,30-0,50 | 0,56 |
| Сталь по железу | 0,19 | |
| Сталь(коньки) по льду | 0,02-0,03 | 0,015 |
| Сталь по райбесту | 0,25-0,45 | |
| Сталь по стали | 0,15-0,25 | 0,09 (ν = 3 м/с)
0,03 (ν = 27 м/с) |
| Сталь по феродо | 0,25-0,45 | |
| Точильный камень (мелкозернистый) по железу | 1 | |
| Точильный камень (мелкозернистый) по стали | 0,94 | |
| Точильный камень (мелкозернистый) по чугуну | 0,72 | |
| Чугун по дубу | 0,65 | 0,30-0,50 |
| Чугун по райбесту | 0,25-0,45 | |
| Чугун по стали | 0,33 | 0,13 (ν = 20 м/с) |
| Чугун по феродо | 0,25-0,45 | |
| Чугун по чугуну | 0,15 |
Примеры задач на нахождение коэффициента трения
Задача 1
Найдите коэффициент трения между полом и ящиком массой 20 кг, который равномерно двигают с силой 50 Н.
Решение
Для решения задачи воспользуемся формулой.
mu = dfrac{F_{тр}}{mg} = dfrac{50}{20 cdot 9.81} = dfrac{50}{196.2} approx 0.25484
Ответ: approx 0.25484
С помощью калькулятора удобно проверить ответ.
Задача 2
Найдите коэффициент трения если угол наклона 30°.
Решение
Для решения этой задачи воспользуемся второй формулой.
mu = tg(alpha) = tg(30°) approx 0.57735
Ответ: approx 0.57735
Проверим полученный ответ с помощью калькулятора .
Канев
Михаил Сергеевич
Жуков
Иван Алексеевич
Коэффициент
трения скольжения и методы его расчёта.
Руководитель:
учитель физики Кубасова Маргарита Фёдоровна
Республика
Коми, Сосногорский р-он, пгт. Нижний Одес
Муниципальное
бюджетное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа № 2» пгт. Нижний Одес
10
класс
Исследования
по естественно-математическому направлению
Оглавление.
1.
Введение.______________________________________________________стр.2
Основная
часть.
2.
Часть 1. Сила трения, виды трения.________________________________стр.4
3.
Часть 2. Методы определения коэффициента
трения скольжения
«дерева
по дереву»._____________________________________________стр.7
4.
Часть 3. Определение коэффициента трения
скольжения
некоторых
пар веществ._________________________________________стр.11
5.
Заключение.___________________________________________________стр.13
6.
Список источников информации._________________________________стр.14
7.
Приложения.__________________________________________________стр.15
Введение.
В
земных условиях любые движущиеся тела (или приходящие в движение) соприкасаются
с веществом окружающей среды, либо с другими телами. При этом возникают силы,
оказывающие сопротивление их движению. Силы эти именуются силами трения.
Изучает
трение наука трибология. Первые исследования трения были проведены великим
итальянским учёным Леонардо да Винчи, более 400 лет назад. Французский учёный
Гильом Амонтон изучал трение, открыл в 1699 году законы внешнего трения твердых
тел. В 1781 году французским физиком Ш. Кулоном были сформулированы основные
законы сухого трения.
В
расчетах энергопотерь, износостойкости, динамических характеристик механизмов
с парами скольжения существенное значение имеет правильный учет сил трения. Но
в большей степени интересна не сила трения, а коэффициент трения.
Коэффициент
трения можно определить только экспериментально для определенных пар
соприкасающихся веществ, так как он во многом зависит от обработки поверхности.
Примерные значения коэффициентов трения уже для многих веществ определены и
собраны в таблицы. [3]
Но
как это можно сделать, как его определить и вычислить?
Цель
работы: изучить методы определения коэффициента
трения скольжения.
Задачи,
которые мы ставим перед собой следующие:
I.
изучить теоретический материал:
1.
Рассмотреть причины возникновения сил
трения
2.
Изучить виды сил трения
3.
Проанализировать от каких факторов зависит
трение скольжения
II.
провести опыты по данной теме:
4.
Выяснить, какими методами можно определить
коэффициент трения скольжения
5.
Определить коэффициент трения скольжения
для некоторых пар веществ
В
своей работе мы не будем экспериментально доказывать, что сила трения
скольжения зависит от качества обработки поверхности, силы нормальной реакции
опоры и не зависит от площади соприкосновения тел, сравнивать величины сил
трения между собой — это давно известные факты. Основное внимание мы уделим
рассмотрению способов определения коэффициента трения скольжения, а также
получим значение коэффициента трения скольжения для некоторых пар веществ.
Методы
исследования, которые мы применяем в данной работе – исследовательско-поисковый,
аналитический метод при сборе и отборе информации: работа с учебной
литературой, с дополнительной литературой по предмету, поиск информации в
интернете; лабораторно-репродуктивный: проведение опытов по готовым
инструкциям, метод сравнения при анализе результатов.
Актуальность
проблемы состоит в том, что в курсе физики общеобразовательной школы с
количеством часов 2 урока в неделю нет возможности в полном объёме изучить
данный материал. Работа над этой темой позволила нам расширить наши знания по
теме «Динамика», закрепить навык решения задач.
Новизна
работы заключается в том, что в ходе экспериментов были получены коэффициенты
трения скольжения для пар веществ не указанных в справочных данных.
Эта
работа будет представлять интерес для учащихся, увлеченных физикой.
Часть 1
Сила трения, виды трения.
В жизни человека силы трения играют
важную роль. В одних случаях он их использует, а в других борется с ними.
Благодаря ей мы можем ходить, лежать, стоять, принимать пищу, держать предметы
в руках, т.е. жить той жизнью, к которой мы привыкли.
С трением мы сталкиваемся на каждом
шагу. Вернее было бы сказать, что без трения мы и шагу ступить не можем. Но,
несмотря на ту большую роль, которую играет трение в нашей жизни, до сих пор не
создана достаточно полная картина возникновения трения. Это связано даже не с
тем, что трение имеет сложную природу, а скорее с тем, что опыты с трением
очень чувствительны к обработке поверхности и поэтому трудно воспроизводимы.
Существует внешнее и внутреннее
трение (иначе называемое вязкостью). Внешним называют такой вид трения, при
котором в местах соприкосновения твердых тел возникают силы, затрудняющие
взаимное перемещение тел и направленные по касательной к их поверхностям.
Внутренним
трением (вязкостью) называется вид трения, состоящий в том, что при взаимном
перемещении слоев жидкости или газа между ними возникают касательные силы,
препятствующие такому перемещению.
Внешнее трение подразделяют на трение
покоя — статическое трение и кинематическое трение: скольжения и качения. Трение
покоя возникает между неподвижными твердыми телами, когда какое-либо из них
пытаются сдвинуть с места. Кинематическое трение существует между взаимно
соприкасающимися движущимися твердыми телами при их относительном движении.
Если между телами отсутствует жидкая или газообразная прослойка (смазка), то
такое трение называется сухим. В противном случае, трение называется «жидким».
Любые движущиеся тела (или приходящие
в движение) соприкасаются с веществом окружающей среды либо с другими телами и
при этом силы трения оказывают сопротивление их движению, они переводят часть
механической энергии движения во внутреннюю энергию, что сопровождается
нагреванием тел и окружающей среды.
Основная причина возникновения сил
трения: неровности любых тел: при соприкосновении зазубрины одного всегда
цепляются за шероховатости другого. Для идеально гладких (например, тщательно
отшлифованных) поверхностей, плотно прилегающих друг к другу, действуют законы
молекулярного трения, основанного на взаимном притяжении молекул. Силы трения имеют
электромагнитную природу. [1]
В 1781 году французским физиком Ш.
Кулоном были сформулированы основные законы сухого трения. Опытным путем ученый
установил, что сила трения F, возникающая при скольжении, прямо пропорциональна
действующей на тело силе N нормального давления. Эта зависимость выглядит
следующим образом:
F = µ ∙ N
где величина μ – коэффициент трения
(коэффициент пропорциональности).
Его величина была вычислена так: тело
помещалось на наклонную плоскость и путем изменения угла наклона достигалось
его равномерное движение. При этом сила трения равнялась движущей силе F = mg
∙ sin a. Величина силы нормального давления N = mg ∙ cos a. Следовательно, μ =
tg a. Коэффициент трения является тангенсом угла наклона поверхности, по
которой тело скользит равномерно, т. е. с постоянной скоростью. На практике его
значение может быть вычислено лишь приблизительно. Поверхности тел, как
правило, в той или иной степени загрязнены, имеют окислы, ржавчину и другие
включения. [2]
Сила трения начинает действовать на
тело, когда его пытаются сдвинуть с места. Если внешняя сила F меньше
произведения μN, то тело не будет сдвигаться — началу движения, как принято
говорить, мешает сила трения покоя. Тело начнет движение только тогда, когда
внешняя сила F превысит максимальное значение, которое может иметь сила трения
покоя. Трение покоя – сила трения, препятствующая возникновению движения
одного тела по поверхности другого. Если тело скользит по какой-либо
поверхности, его движению препятствует сила трения скольжения. Сила трения
скольжения всегда направлена противоположно
движению
тела. При изменении направления скорости изменяется и направление силы трения.
Таким образом, трение покоя проявляется в
том случае, когда тело, находившееся в состоянии покоя, приводится в движение.
Коэффициент трения покоя обозначается μ0.
Трение скольжения проявляется при наличии движения
тела, и оно значительно меньше трения покоя. μск < μ0
Трение
качения проявляется в том случае, когда тело катится по опоре, и оно
значительно меньше трения скольжения.
μкач
<< μск [1]
Опытным путём установлено, что сила
трения зависит от силы давления тел друг на друга (силы реакции опоры), зависит
от материала и качества обработки соприкасающихся поверхностей, от скорости
относительного движения. Наибольшее влияние на изменение коэффициента трения
оказывает скорость скольжения, увеличение которой приводит к его снижению при
малых скоростях. При не слишком больших относительных скоростях движения сила
трения скольжения мало отличается от максимальной силы трения покоя и, поэтому
приближенно, её можно считать постоянной и равной максимальной силе трения
покоя.
Коэффициент трения устанавливает
пропорциональность между силой трения и силой нормального давления, прижимающей
тело к опоре. Коэффициент трения является совокупной характеристикой пары
материалов, которые соприкасаются и не зависит от площади соприкосновения тел.
Коэффициент трения, определяемый
попарно для сочетаний различных материалов путем экспериментов, вносится в
специальные справочные таблицы. [2]
Часть 2.
Методы определения
коэффициента трения скольжения
«дерева по дереву».
Во время подготовки к работе, мы
выяснили, что для определения коэффициента трения скольжения существует много
способов:
1)
движение по горизонтальной поверхности и
по наклонной плоскости,
2)
движение равномерное и с ускорением,
3)
на применение законов динамики, статики,
кинематики и сохранения энергии.
Просмотрев и проанализировав
источники информации, мы выяснили, что в основном используются два метода:
1)
равномерное движение по горизонтальной
поверхности,
2)
равномерное скольжение вниз по наклонной
плоскости.
Исходя из этого, эти два
метода и рассматриваются в основной части работы, остальные способы определения
коэффициента трения скольжения разобраны и изложены в приложении.
Какой же из этих методов
даёт наиболее точный результат? Ведь для одной и той же пары тел, значение
коэффициента трения скольжения должно быть одинаковым, но это значение может точно
не совпадать с табличным, так как значение коэффициента трения скольжения
сильно зависит от обработки поверхности. Для ответа на этот вопрос мы
рассчитаем погрешность при определении коэффициента трения скольжения «дерево
по дереву».
Метод
1.
Определение коэффициента трения
скольжения [4]
Оборудование:
1) динамометр, 2) деревянный брусок, 3) набор грузов по 100 грамм, 4) трибометр.
Кладут деревянный брусок на горизонтально
расположенный трибометр, нагрузив его сначала одним, потом двумя и тремя
грузами, тянут динамометром по возможности равномерно вдоль линейки. Таким
образом, измеряют силу тяги (равную силе трения). Затем, взвесив брусок и грузы
на динамометре (сила нормального давления), находят коэффициент трения µ, т. е.
отношение силы трения F к силе нормального давления N, который численно равен
весу тела Р в этом случае. µ = Fтр/N
После этого мы определили среднее
значение, как среднее арифметическое.
|
Количество грузов |
Р, Н |
Р,Н среднее |
Fтр, Н |
Fтр,Н среднее |
µ |
µср |
|
Без груза |
0,7 |
0,229 |
||||
|
1 груз |
1,7 |
2,7 |
0,4 |
0,62 |
0,235 |
|
|
2 груза |
2,7 |
0,6 |
0,222 |
|||
|
3 груза |
3,7 |
0,85 |
0,229 |
Вывод: коэффициент трения скольжения
«дерево по дереву» получили равный 0,229, что примерно соответствует табличным
данным — 0,20 — 0,50 (приведенным в таблице «Справочник по технике и физике») [3]
Здесь вес тела определяется как сумма
весов грузов и бруска, причем взвешивать динамометром надо брусок вместе с
грузами. Таким образом, погрешность при определении веса тела можно принять
равной 0,05 н. Такой же величины может достигнуть погрешность при измерении
силы тяги. Отсюда максимальная относительная погрешность при определении
коэффициента трения
Δµ/µ
= ΔF/F + ΔР/Р Δµ/µ = 0,05/0,62 + 0,05/2,7 ≈ 0,099
Абсолютная
погрешность Δµ = 0,229*0,099 ≈ 0,023
Следовательно,
наш результат: µ = 0,23 ± 0,023
Метод 2.
Определение
коэффициента трения скольжения. [4]
Оборудование: 1)
треугольник, 2) лента измерительная, 3) динамометр, 4) набор грузов, 5)
штатив с муфтами и лапкой, 6) трибометр
Второй способ определения
коэффициента трения не требует непосредственного измерения сил. В этом случае сначала
на линейку трибометра кладут брусок с грузами, а затем постепенно приподнимают
один из ее концов до тех пор, пока при небольшом толчке брусок начнет более или
менее равномерно
скользить вниз. Тогда движущая сила F1
являющаяся составляющей силы тяжести, будет по
величине равна силе трения F.
Коэффициент же трения будет равен отношению двух
составляющих силы тяжести: движущей силы F1
и силы нормального давления F2
µ = F1/F2, но
F1/F2 = h/а следовательно, µ = h/а =
(Приложение 3)
Отсюда
видно, что нет надобности в измерении сил: достаточно измерить высоту и
основание наклонной плоскости и вычислить их отношение, которое является
тангенсом угла наклона линейки и в то же время выражает собой коэффициент трения.
Основание
наклонной плоскости измеряют сантиметровой лентой с точностью до 1 см, а высоту — треугольником с точностью
до 1 мм. В нашем примере h = 19,0
см±0,1 см, а = 79 см±1 см,
тогда
µ
= 19,0 /79 = 0,24
Рассчитаем
погрешность:
Δµ/µ
= Δh/h + Δа/а Δµ/µ = 0,1/19,0 +1/79 ≈ 0,018
Δµ = 0,24*0,018 ≈ 0,004
Следовательно, наш
результат: µ = 0,24 ± 0,004
Вывод: коэффициент трения скольжения
«дерево по дереву» получили равный 0,24, что примерно соответствует табличным
данным — 0,20 — 0,50 (приведенным в таблице «Справочник по технике и физике»)
[3]
На основе своих расчетов
и проведенных экспериментов, получили коэффициент трения скольжения «дерево по
дереву» 0,23 и 0,24, что соответствует теоретическим значениям, имеющимся в
справочной литературе: 0,20 — 0,50 [3]
Рассмотрев методы определения коэффициента
трения скольжения, выяснили, что наиболее точным является второй метод, так как
он даёт лучший результат: его погрешность меньше (это видно из расчёта
погрешностей).
Часть 3
Определение коэффициента трения скольжения
некоторых пар веществ.
На основе первого метода мы в нашей
работе определили коэффициенты трения скольжения для некоторых пар веществ,
которых нет в «Справочнике по физике» и в «Справочнике по физике и технике»,
автор А.С.Енохович (Приложение 1, 2) [3]
1.
Дерево по стеклу.
|
Количество грузов |
Р, Н |
Fтр., Н |
µ |
µ , среднее |
|
Без груза |
0,7 |
0,15 |
0,21 |
0,19 |
|
1 груз |
1,7 |
0,35 |
0,2 |
|
|
2 груза |
2,7 |
0,5 |
0,18 |
|
|
3груза |
3,7 |
065 |
0,17 |
2.
Пенопласт по дереву.
|
Количество грузов |
Р, Н |
Fтр., Н |
µ |
µ , среднее |
|
1 груз |
1,016 |
0,2 |
0,197 |
0,197 |
|
2 груза |
2,016 |
0,4 |
0,1975 |
|
|
3груза |
3,016 |
0,6 |
0,198 |
3.
Дерево по органическому стеклу.
|
Количество грузов |
Р, Н |
Fтр., Н |
µ |
µ , среднее |
|
Без груза |
0,7 |
0,1 |
0,14 |
0,18 |
|
1 груз |
1,7 |
0,3 |
0,18 |
|
|
2 груза |
2,7 |
0,55 |
0,2 |
|
|
3груза |
3,7 |
0,8 |
0,22 |
4. Дерево
по наждачной бумаге.
|
|||||||||||||||||||||||||
Следовательно, на основе расчётов и
проведенных экспериментов, были получены коэффициенты трения скольжения для
пар веществ, которые отсутствуют в таблице. [3]
В
результате этого мы расширили табличные значения коэффициентов трения различных
материалов.
Заключение.
Выводы:
1.
выяснили, что коэффициент трения
скольжения можно определить разными методами.
2.
на основе своих расчетов и проведенных
экспериментов, получили коэффициент трения скольжения «дерево по дереву» 0,23
и 0,24, что соответствует теоретическим значениям, имеющимся в справочной
литературе: 0,20 — 0,50 [3]
3.
рассмотрев методы определения коэффициента
трения скольжения, выяснили, что наиболее точным является (второй) метод:
равномерное скольжение бруска по наклонной плоскости; так как он даёт лучший
результат: его погрешность меньше (это видно из расчёта погрешностей).
4.
результаты работы расширили табличные
значения коэффициентов трения различных материалов.[3]
Список
источников информации.
1.
http://bibliofond/ru
2.
http://fb/ru
3.
Енохович А.С. «Справочник по физике и технике»
М. Пр. 1989 год, 224 с., «Справочник по физике» М. Пр. 1990 год, 384 с.
4.
Буров А.А. «Фронтальные лабораторные занятия
по физике» М.Пр.1970год, 216 с.
5.
Кабардин О.Ф., Орлов В.А.
Экспериментальные задания по физике. 9–11 классы: учебное пособие для учащихся
общеобразовательных учреждений. М.: Вербум, 1999 год, 208 с.
6.
Coolreferat.com
7. Фёдоров
В.А. «Лабораторный практикум по курсу общей физики» Издательский дом ТГУ им.
Г.Р.Державина, 2010 год, 53 с.
Приложение 1. [3]
Приложение
2. [3]
Приложение
3. [7]
Приложение
4.
Измерение коэффициента
трения скольжения, через опрокидывание бруска [5]
Оборудование: брусок деревянный, линейка деревянная от трибометра, нить,
линейка ученическая.
Порядок выполнения работы.
Теоретическое обоснование: Брусок с привязанной к длинной грани нитью поставьте
торцом на горизонтальную поверхность стола и тяните за нить или толкайте
карандашом. Если нить закреплена невысоко над поверхностью стола, то брусок
будет скользить. При определенной высоте h точки А крепления нити сила
натяжения нити F опрокидывает брусок.
Условия равновесия для этого случая относительно точки – угла
опрокидывания:
Fh – mga/2 = 0;
Согласно II закону Ньютона: F – Fтр = 0;
N – mg = 0.
С учётом выражения Fтр = µN = µmg
Получим, что µmgh =
mga/2
Отсюда µ = a/(2h)
Экспериментальный расчет: a = 30 ± 1
мм, h = 75 ± 1 мм.
µ=30/ (2*75)=0,2
Вывод:
коэффициент трения скольжения «дерево по дереву» равен 0,2. Это значение чуть
меньше, чем при определении методами 1 и 2.
Приложение 5. [6]
Определение коэффициента трения скольжения при движении по
наклонной плоскости.
Цель работы: Выяснить зависимость силы
трения от угла наклона.
Приборы и материалы: измерительная линейка,
штатив, направляющая плоскость с линейкой, секундомер с двумя датчиками,
исследуемое тело.
Описание работы
Рассмотрим типовую задачу
о движении груза по наклонной плоскости. На движущееся тело действуют сила
тяжести, реакция опоры и сила трения, направленная против движения тела.
Используя второй закон Ньютона, получим соотношение связи силы и ускорение
движения тела: 
Проецируя векторное уравнение на координатные оси получаем
известные соотношения для силы трения и силы реакции опоры:
Где 
—угол между
наклонной плоскостью и горизонталью. При этом, из простых геометрических
соотношений следует, что
, 
Таким образом, вычисление
силы трения требует от нас измерения геометрических параметров установки, массы
груза и ускорения, с которым груз соскальзывает. Для измерения ускорения будем
использовать лабораторный комплект «Механика», в основе которого находится
направляющая, у которой на боковой стороне имеются миллиметровые деления и
размещена полоска магнитной резины. Она необходима для удержания датчиков
секундомера. Секундомер с герконовыми датчиками служит для автоматического
счета времени движения каретки. Датчики соединены параллельно и с помощью
разъема присоединяются к пусковой кнопке секундомера. Контакты геркона
замыкаются под действием магнитного поля постоянного магнита каретки. При
прохождении каретки мимо верхнего датчика секундомер автоматически включается,
а при прохождении каретки мимо нижнего датчика секундомер автоматически
останавливается. Зная
время движения каретки между датчиками и расстояние между ними, можно вычислить
среднюю скорость и ускорение каретки.
В ходе эксперимента мы можем замерить величины: 
— расстояние от
центра покоящейся каретки до первого датчика, 
— расстояние между
датчиками и t—время движения каретки между датчиками.
Примем начальную скорость
каретки равной 0, а скорость в момент прохождения первого датчика—V1. Тогда
можно записать кинематические соотношения: 
, 
Тем самым мы получаем два
уравнения, в которых неизвестны скорость каретки в момент прохождения первого
датчика и ускорение движения.
Выразим скорость из
первого соотношения и подставим во второе уравнение: 
Решая второе уравнение
относительно неизвестного ускорения, замечаем, что оно приводится к квадратному
с дискриминантом равным
Отбрасывая отрицательный
корень, получим выражение:
А для ускорения: 
К сожалению, данную
работу выполнить не имели возможности из-за отсутствия необходимого
оборудования.
Приложение 6.
Определение коэффициента трения
скольжения
с использованием закона сохранения и
превращения энергии. [6]
Оборудование:
наклонная плоскость, брусок, линейка.
Ход работы
- Установить
наклонную плоскость под углом примерно 45˚. - Пустить
тело с наклонной плоскости. - Измерить
высоту наклонной плоскости h,
основание плоскости a,
и перемещение тела по поверхности стола S.
4. Вычислить коэффициенты
трения.
При
спуске бруска с наклонной плоскости и его движении по горизонтальной
поверхности стола совершалась работа против сил трения за счёт убыли
потенциальной энергии бруска.
По
закону сохранения энергии:
mgh
= F * l + F *S
(1)
где: l -длина
наклонной плоскости.
Сила
трения по наклонной плоскости и при движении по горизонтальной поверхности:
F = m
N = m mg * COS a
F
= m N = m mg
Тогда
(1) уравнение примет вид:
mgh
= m mg COS a
* l + m mgS
или
h
= m COSa*
l + m S COSa =
а /
l µ = h /(а+
S)
5.Записать
результаты в таблицу.
|
№ |
h,м |
а,м |
S,м |
µ |
m |
|
1 |
0,42 |
0,71 |
0,5 |
0,341 |
0,265 |
|
2 |
0,3 |
0,85 |
0,44 |
0,238 |
|
|
3 |
0,21 |
0,92 |
0,37 |
0,217 |
В нашем случае
возникала дополнительная погрешность, так как после спуска с трибометра, брусок
двигался по поверхности гладкого лакированного стола, имеющего другой
коэффициент трения, чем необработанный деревянный трибометр.
Приложение 7.
Определение коэффициента трения скольжения
с использованием закона сохранения и
превращения энергии. [7]
Оборудование: 1)
трибометр лабораторный с бруском, 2) динамометр учебный, 3) набор грузов по
механике НГМ-100, 4) лента измерительная с миллиметровыми делениями, 5) нить
20-30см.
Метод выполнения
работы
Для выполнения этой работы на линейку
трибометра помещают брусок и динамометр, связанные нитью. Если динамометр
вместе с линейкой прижать рукой к столу, а брусок оттянуть, чтобы динамометр
показал некоторую силу F, то потенциальную энергию пружины можно
записать так:
где
F – показание динамометра, а x – деформация пружины. После
освобождения брусок будет двигаться до остановки. В результате за счёт
потенциальной энергии пружины будет совершена работа по преодолению силы трения
на пути s. Эту работу можно представить таким выражением:
A
= mmgs
где
m
– коэффициент трения, m – масса бруска, g – ускорение свободного
падения,
s –перемещение бруска.
Согласно закону сохранения энергии
= mmgs
следовательно, m
=
Силу
упругости пружины измеряют при помощи динамометра, деформацию пружины x
и перемещение s бруска – линейкой с миллиметровыми делениями, массу m
бруска – путём взвешивания на весах (либо при помощи динамометра, если такая
точность удовлетворительна), g – величина постоянная.
Порядок выполнения
работы:
Подготовьте в
тетради таблицу для записи результатов:
|
№ опыта |
F, |
m, 10–3кг |
x, |
s, |
m |
mср |
|
1 |
1 |
70 |
27 |
70 |
0,275 |
|
|
2 |
1 |
170 |
27 |
50 |
0,158 |
0,267 |
|
3 |
2 |
70 |
54 |
210 |
0,367 |
Определите взвешиванием массу
бруска m.
К крючкам динамометра и бруска привяжите
нить так, чтобы расстояние между ними было равно 10 см, брусок с динамометром
поместите на линейку.
Конец динамометра с петлей совместите с
концом линейки, и прижмите их рукой к столу. Затем оттяните брусок так, чтобы
динамометр показывал F =1Н, измерьте растяжение пружины. Отметьте
положение бруска и отпустите его.
Измерьте линейкой расстояние s,
пройденное бруском, и вычислите коэффициент трения m.
Занесите результаты в таблицу.
Повторите опыт дважды, изменив один раз
массу бруска (поместив на него стограммовый груз), а другой раз – растяжение
пружины (увеличьте показание динамометра на 1Н).
Найдите среднее значение коэффициента
трения m.
Вывод: коэффициент трения
скольжения «дерево по дереву», в данном случае, получился 0,267
Процесс взаимодействия тел при их относительном движении можно отобразить с помощью формулы трения скольжения. Коэффициент определяется только путём проведённых исследований. Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется трибологией (механикой фрикционного взаимодействия). Определяемый коэффициент является совокупной характеристикой пары материалов, которые не зависят от площади соприкосновения тел.
Оглавление:
- Краткое описание
- Сила трения скольжения
- Правила расчёта
- Измерительные манипуляции
- Основные характеристики
- Практическое значение
- Ключевые нюансы
Процесс взаимодействия тел при их относительном движении можно отобразить с помощью формулы трения скольжения. Коэффициент определяется только путём проведённых исследований. Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется трибологией (механикой фрикционного взаимодействия). Определяемый коэффициент является совокупной характеристикой пары материалов, которые не зависят от площади соприкосновения тел.
Краткое описание
Трение можно рассматривать как способ взаимодействия двух объектов. Но у этого процесса есть свои нюансы. Между двумя объектами трение возникает только в результате их соприкосновения с определённой площадью поверхности. Этот процесс попадает под действие третьего закона Ньютона.
Например, если взять 2 небольших бруска из дерева и просто их передвигать, то в итоге можно наблюдать соприкосновение по площадям. Во время эксперимента можно заметить, что двигать предметами относительно друг друга гораздо сложнее, нежели совершать с ними какие-либо манипуляции в воздухе. Именно в этом случае в действие вступает закон трения.
В третьем законе Ньютона описано правило, которое касается того, что по модулю силы равны, но направлены совершенно в разные стороны. Получается, что сила μ является векторной величиной. Этот процесс имеет электромагнитную природу. Трение возникает в результате того, что молекулы и атомы тел, участвующих в соприкосновении, начинают взаимодействовать друг с другом. На этом правиле основано много задач по физике. Латинской буквой k или греческой μ обозначается коэффициент трения.
Сила трения скольжения
Коэффициент трения скольжения показывает отношение μ к силе давления на поверхность. Это правило изучают на уроках физики в 10 классе. Силы трения всегда воздействуют на объекты. Они возникают в результате соприкосновения твёрдых тел, газов и жидкостей, подчиняются закону Ньютона.
Для решения сложных задач нужно понимать, что направление силы трения противоположно движению объекта и факторам, которые стремятся изменить его положение. Исключений не предусмотрено. О процессе трения скольжения можно говорить только тогда, когда тело движется относительно другого объекта. Конечные результаты во многом зависят от следующих факторов:
- скорости движения;
- коэффициента трения скольжения (µ), от которого напрямую зависят свойства, а также состояние поверхностей соприкосновения;
- силы нормальной реакции опоры (N→).
Итоговый коэффициент во многом зависит от свойств задействованного материала.
Например, чем шероховатее будет поверхность, тем больше станет значение μ. У скользких оснований коэффициент окажется минимальным. Трение во многом зависит от скорости, но этим значением часто пренебрегают, если речь не идет о точных измерениях. По этой причине показатель μ является постоянным.
Правила расчёта
С максимальной точностью силу трения скольжения можно определить с помощью формулы F = µ* N. Значение N рассчитывается как производное массы тела на ускорение свободного падения. Учитывается также косинус угла к поверхности: N = m * g * cosa. Формула коэффициента трения скольжения выглядит следующим образом: µ = F/N.
На уроках физики можно узнать, что для основного количества всех пар материалов коэффициент рассчитывается во время опытов. Значение находится в пределах от 0,1 до 0,5. В такой ситуации μ будет являться переменной величиной.
В физике используются специальные таблицы, в которых указаны переменные величины для каждого из материалов. Но эти данные являются актуальными только при соблюдении определённых условий. Если нужно получить максимально точный результат, тогда следует самостоятельно выполнить расчёты для конкретной ситуации.
Измерительные манипуляции
Динамометр используется для измерения реальных показателей механической силы. Этот прибор включает в себя силовой элемент (пружину) и отчётное звено (линейку). Принцип использования стандартного пружинного динамометра прост. На прибор воздействует сила, которая растягивает либо сжимает упругое звено. Полученное значение фиксируется при помощи измерительной части.
Чтобы правильно найти величину μ, которая передаётся на брусок в процессе его движения по конкретной поверхности, нужно постараться прикрепить к объекту динамометр. Необходимо потянуть устройство за пружину в горизонтальной плоскости.
Чтобы полученный результат не имел погрешностей, нужно следить за тем, чтобы прибор перемещался максимально равномерно и с постоянной скоростью.
На анализируемую величину будут действовать сразу 2 силы, одна из которых препятствует движению бруска, а вторая старается снизить вероятность деформации пружины. Так как движение динамометра равномерное, силы имеют одинаковое значение и уравновешивают друг друга. На измерительной шкале регистрируется показатель упругости пружины, из-за чего полученная величина и будет искомой цифрой.
Проведённый опыт может доказать, что итоговое значение μ во многом зависит от веса задействованного объекта. Если применить дополнительный груз и повторить исследование, тогда можно заметить, что значение на линейке увеличится.
Основные характеристики
Сила трения может рассматриваться как процесс, который возникает в результате соприкосновения двух объектов и препятствует их относительному движению. Основными причинами трения являются специфическая шероховатость трущихся поверхностей и взаимодействие имеющихся молекул. Существует определённый характер фрикционного взаимодействия, который принято делить на несколько категорий:
- Граничное. В области контакта содержатся участки и слои разной природы (например, жидкость, оксидные плёнки). Это самый распространённый случай, когда дело касается скольжения.
- Сухое. Взаимодействующие твёрдые тела не разделены между собой дополнительными слоями. На практике крайне редко фиксируются ситуации, которые свойственны сухому трению. Для этого случая характерно наличие большого значения μ в состоянии покоя.
- Жидкостное. Задействованные тела разделены слоем твёрдого тела (например, порошок графита), газом либо жидкостью. Эта ситуация чаще всего фиксируется при трении качения. Твёрдые тела погружены в жидкость, а величина μ отличается вязкой средой.
- Смешанное. Зона контакта содержит участки жидкостного и сухого трения.
- Вязкоупругое. Решающую роль играет внутреннее трение в смазывающем материале. Это фрикционное взаимодействие возникает при увеличении относительных скоростей перемещения.
Многочисленные исследования показали, что для многих пар материалов итоговое значение µ не превышает 1. В противном случае можно говорить, что между контактирующими телами присутствует сила адгезии.
Для решения элементарных задач используется следующая формула: µ = (F + F adhesion)/ N. Значение μ измеряется стандартным образом, никакие дополнительные буквы для обозначения полученного результата не используются (указываются только цифры).
Практическое значение
Трение играет отрицательную роль во многих механизмах, например, в транспортных средствах, двигателях внутреннего сгорания, зубчатых шестеренках. Негативное значение сказывается на снижении коэффициента полезного действия механизма. Смазки, масла на синтетической и натуральной основе позволяют существенно уменьшить силу трения. На многих широко распространённых деталях присутствует защитное напыление.
Если речь идет о миниатюризации МЭМС (микроэлектромеханических систем) и НЭМС (наноэлектромеханических систем), тогда показатель μ будет существенно увеличиваться. Для решения этих проблем используется усовершенствованный подход в рамках трибологии.
Благодаря трению объекты могут перемещаться. Например, при ходьбе неизбежным является сцепление стопы с полом, из-за чего человек отталкивается от поверхности и движется дальше. Аналогичным образом происходит сцепление колёс транспортного средства с дорогой. Для повышения эксплуатационных характеристик автомобилей выпускаются инновационные формы и специальные разновидности резины для колёс. На спортивные машины устанавливают универсальные антикрылья, которые прижимают транспортное средство к трассе.
Ключевые нюансы
Сила трения имеет место и при качении какого-либо тела. Но этим параметром часто пренебрегают, так как итоговые показатели недостаточно велики, чтобы брать их в расчёт. Такой подход позволяет упростить процесс решения различных задач. Но даже в этом случае можно сохранить высокую степень точности итогового результата.
Для закрепления полученных знаний можно изучить пример решения задачи по физике. На пол поставили ящик весом 7 кг. Между этим объектом и напольным покрытием значение μ составляет 0,3. К ящику прикладывают силу, которая соответствует 14 Н. Нужно совершить необходимые расчёты, чтобы понять, можно ли сдвинуть объект с места. Для определения силы реакции необходимо массу ящика умножить на ускорение:
- N = m * g.
- N = 10 кг * 9,8 м/с² = 98 кг * м/с² = 98 Н.
- F = k * N.
- F = 0,3 * 98 Н = 29,4 Н.
Полученный результат позволяет сделать вывод, что ящик останется на прежнем месте. Это связано с тем, что итоговое значение превышает усилия, приложенные к объекту: 29,4 Н > 14 Н.
Силы трения имеют большое значение в жизни людей и животных.
Благодаря этому явлению человек может ходить и держать в руках различные предметы. За счёт действия закона сцепления на скалах удерживаются огромные валуны и не падают в пропасть, а плетущиеся растения тянутся к солнечному свету и скрепляются с ближайшей опорой.
Люди и животные от природы умеют избавляться от негативного воздействия торможения. К примеру, всё тело рыбы покрыто специальной слизью, что позволяет существенно уменьшить трение о воду. Человек при работе с техникой научился использовать различные смазывающие материалы, благодаря чему увеличивается срок эксплуатации, а также качество работы устройства.