История силы трения кратко

Обновлено: 04.07.2024

Сила – с т.з. классической механики - это количественная мера взаимодействия тел. Как известно, законы, по которым тела взаимодействуют друг с другом посредством "силы", научно строго были определены тремя законами И.Ньютона.

В рамках классической механики мы имеем дело со следующими видами сил: силами инерции , гравитационными, электростатическими, упругими, силами трения и сопротивления . Объектами воздействия классических сил являются м.т., с.м.т., твердое тело, сплошная среда (твердое вещество, газ, жидкость).

Силы трения

При соприкосновении движущихся (или приходящих в движение) тел с другими телами, а также с частицами вещества окружающей среды возникают силы, препятствующие такому движению. Эти силы называют силами трения. Эти силы настолько широко известны, что задолго до И.Ньютона, во времена Аристотеля, считалось аксиомой, что любое движущееся тело в конце концов остановится. И только И.Ньютон, после опытов Г.Галилея, понял и записал свой первый закон, который гласит, что любое тело, не взаимодействующее ни с какими другими телами, движется прямолинейно и равномерно без остановки неограниченно долгое время.

Силы трения возникают при движении двух объектов по поверхности друг друга с соприкосновением под давлением и имеют микроскопическую причину. Различают силу трения покоя, скольжения и качения. Обычно считают, что сила трения не зависит от скорости и пропорциональна нормальной нагрузке Р трущихся поверхностей.

Действие сил трения всегда сопровождается превращением механической энергии во внутреннюю и вызывает нагревание тел и окружающей их среды. Наблюдения показывают, что сила трения всегда направлена противоположно действующей на тело внешней силе, стремящейся привести это тело в движение. Силы трения, как и силы упругости, имеют электромагнитную природу.

Силы трения и сопротивления являются диссипативными силами и при этом производится бесполезная (и даже, возможно, вредная с т.з. человека) работа на износ трущегося материала и рассеивание энергии, в данном случае – на образование рассеянного в окружающее пространство тепла. С целью уменьшения внешнего трения между соприкасающимися поверхностями твердых тел вводят смазку, т. е. вязкую жидкость, которая прилипает к твердым телам и образует между их поверхностями слой большей или меньшей толщины. При этом трение возникает уже не между твердыми телами, а между слоями смазки, что и приводит к значительному уменьшению силы трения.

Существует внутреннее трение и внешнее . 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 ((иначе называемое 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 . 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. Кинематическое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения .

Различные проявления сил трения мы наблюдаем в нашем повседневном опыте. В жизни человека силы трения играют важную роль. В одних случаях он их использует, а в других борется с ними. Только благодаря ему, в соответствии с тремя законами И.Ньютона, мы можем существовать неподвижно относительно окружающей обстановки.

Внешнее трение называют сухим , если смазка вообще отсутствует, гидродинамическим , если слой смазки толстый, граничным , если слой смазки очень тонкий.

В отличие от сил упругости, всегда связанных с деформацией тел (также обладающие молекулярной природой), силы сухого трения возникают при взаимном смещении соприкасающихся тел или их частей или же при попытках такого смещения. Трение между поверхностями двух твердых тел при их непосредственном соприкосновении называют сухим трением .

Сухое трение

Сухое трение зависит от нормальной силы F n = N , с которой прижимаются друг к другу соприкасающиеся поверхности двух тел 1 и 2 (см. рис. 1). Эту силу называют силой нормального давления. При попытке сместить тело 1 силой F , возникнут силы трения F тр и F 'тр, приложенные к этим телам как показано на рисунке. Если величина F не превышает определенного значения F o, тело 1 остается неподвижным, при этом силы трения автоматически принимают значение внешней силы F .

Вложение	Размер
sila_treniya_zaikina.docx	142.81 КБ

Предварительный просмотр:

МБОУ гимназия № 1

Направление исследования "Физика"

"Изучение силы трения"

Заикина Анастасия, ученица 7 А класса

МБОУ гимназия № 1

Семынина Наталья Михайловна,

учитель физики, информатики и ИКТ

г. Красный Сулин

В этом году мы начали изучать новый предмет – физику. Физика – является наукой о неживой природе в самом широком понимании этого слова. Физика дает возможность человеку как можно глубже познать окружающий его мир и понять причины наблюдаемых в обычной жизни явления. Без знания физики был бы невозможен прогресс человечества в целом, а мы были бы лишены таких привычных нам технических устройств: компьютеров, бытовых приборов, разных спортивных снарядов и приспособлений, облегчающих нам жизнь

Нас давно волновали вопросы, связанные с практическим применением законов физики в жизни человека, в частности, мы заинтересовались вопросами, связанными с проявлением силы трения в окружающем нас мире. Изучая на уроках физики силу трения, мы заинтересовались вопросом: сила трения – это друг или враг? Когда сила трения нам помогает, а когда мешает и с ней надо бороться?

В качестве цели исследования мы выбрали изучение причин возникновения силы трения, и факторов, влияющих на величину этой силы.

Для достижения цели были сформулированы следующие задачи:

Осуществить сбор и систематизацию теоретического материала по данной теме.
Выяснить факторы, от которых зависит сила трения.
Провести эксперименты по изучению силы трения.
Обобщить и проанализировать полученные результаты.

Объектом исследования стала сила трения.

Предмет исследования – факторы, влияющие на величину силы трения

Область исследования : физика.

Методы исследования: теоретический анализ, физический эксперимент, обобщение

С труктура работы обусловлена целью, задачами и логикой исследования.Исследовательская работасостоит из введения, описательной части, экспериментальной части, заключения с описанием полученных выводов, а также списка использованной литературы и приложений.

История знакомства человека с силой трения

Вспомним, что многие современные и дошедшие до нас первобытных времен способы добычи огня связаны с применением трения. 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.

Известно несколько достаточно трудоемких способов добывания огня трением дерева о дерево, применявшихся у разных народов мира.

Индейцы Северной Америки, чтобы получить огонь, обычно трут две палочки вместе.

На Огненной Земле и у эскимосов в традициях высекание огня. Эскимосы ударяют обычным куском кварца о кусок пирита (железного колчедана), который очень распространен в местах, где они живут.

В Китае и в Индии куском разбитой глиняной посуды ударяют о бамбуковую палочку. Внешняя оболочка бамбука очень твердая и имеет все свойства фитиля.

На Аляске индейцы некоторых племен натирают серой два камня и ударяют один о другой. Когда сера загорается, они бросают горящий камень в сухую траву или другой сухой материал.

Таким образом, еще в древности люди на практике познакомились с проявлением этой силы.

Первые исследования силы трения

Первые исследования трения, о которых мы знаем, были проведены Леонардо да Винчи.

1500 год. Великий итальянский художник, скульптор и ученый проводил странные опыты, чем удивлял своих учеников. Он таскал по полу, то плотно свитую веревку, то ту же веревку во всю длину. Его интересовал ответ на вопрос: зависит ли сила трения скольжения от величины площади соприкасающихся в движении тел? Механики того времени были глубоко убеждены, что чем больше площадь касания, тем больше сила трения. Онирассуждали примерно так: чем больше точек соприкосновения у тел, тембольше сила. Совершенно очевидно, чтона большей поверхности будет больше такихточек касания, поэтому сила трения должна зависеть от площади трущихся тел. Леонардо да Винчи усомнился и стал проводить опыты.

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

Он получил следующие результаты:

1. От площади независит.

2. От материала не зависит.

3. От величины нагрузки зависит (пропорционально ей).

4. От скорости скольжения не зависит.

5. Зависит от шероховатости поверхности.

1699 год. Французский ученый Амонтон, который подтвердил столь неожиданный вывод Леонардо да Винчи о независимости силы трения от площади соприкасающихся тел. Но в то же время он считал, что сила трения скольжения зависит от скорости, а с тем, что сила трения зависит от шероховатостей поверхностей, не соглашался.

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

1779 год. В связи с внедрением машин и механизмов в производство назрела острая необходимость в более глубоком изучении законов трения. Выдающийся французский физик Кулон занялся решением задачи о трении и посвятил этому два года. В результате Кулон согласился с выводами Леонардо да Винчи.

Общая сила трения в какой-то малой степени все же зависит от размеров поверхности трущихся тел, прямо пропорциональна силе нормального давления, зависит от материала соприкасающихся тел, зависит от скорости скольжения и от степени гладкости трущихся поверхностей.

В дальнейшем ученых стал интересовать вопрос о влиянии смазки, и были выделены виды трения: жидкостное, чистое, сухое и граничное.

Какая сила называется силой трения

Б ез силы трения невозможна работа почти всех машин и механизмов на Земле. Также и невозможно передвижение по ней всех живых существ. Попробуйте пройти по идеально гладкому льду в обуви на гладкой пластиковой подошве, или же забраться в этой обуви по ледяной горке? При отсутствии трения нет сцепления между двумя соприкасающимися поверхностями и движение каждой из них по отношению друг к другу и к Вам становится неуправляемым. Даже элементарное завязывание шнурков на обуви не получится. А как муравей будет взбираться на дерево?

В земных условиях трение всегда сопутствуют любому движению тел. При всех видах механического движения одни тела соприкасаются либо с другими телами, либо с окружающей их сплошной жидкой или газообразной средой. Такое соприкосновение всегда оказывает большое влияние на движение. Возникает сила трения, направленная противоположно движению.

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

Итак, сила трения – это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого и направленная в сторону, противоположную движению или возможному движению.

Сила трения возникает из-за того, что неровности одного тела цепляются за неровности другого тела и мешают их взаимному движению. Если увеличить силу, прижимающую тела друг к другу, то неровности сильнее цепляются и сила трения увеличивается. Сила трения не зависит от площади соприкасающихся тел, а зависит от материала тел и их веса: чем больше сила, прижимающая тело к поверхности, тем больше сила трения.

Второй причиной возникновения трения является притяжение молекул. Если тщательно отполировать поверхности соприкасающихся тел, то число точек касания при том же весе тела увеличивается, а, следовательно, увеличивается и сила трения.

Различают силу трения покоя, силу трения скольжения и силу трения качения.

Роль трения в жизни растений и животных

Трение – удивительный феномен природы! Оно подарило человечеству тепло и огонь, возможность в короткое время остановить скоростной поезд и автомобиль, ускорить химическую реакцию в сто тысяч раз, записать человеческий голос на пластинку, услышать звуки скрипки и многое другое. Знание законов трения необходимо и астроному, и физику, и физиологу, и технику.

Без трения покоя ни люди, ни животные не могли бы ходить по земле, так как при ходьбе мы отталкиваемся ногами от земли. Не будь трения, предметы выскальзывали бы из рук.

У многих растений и животных имеются различные органы, служащие для хватания (усики растений, хобот слона, цепкие хвосты лазающих животных). Все они имеют шероховатую поверхность для увеличения силы трения.

Среди живых организмов распространены приспособления (шерсть, щетина, чешуйки, шипы, расположенные наклонно к поверхности), благодаря которым трение получается малым при движении в одном направлении и большим – при движении в противоположном направлении. На этом принципе основано движение дождевого червя. 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.

Трение в технике

Направления использования сил трения в технике: передача движений с помощью трения, обработка материалов с помощью трения и использовании трения в механических конструкциях и орудиях труда. Например, в древнем мире чтобы добыть огонь, люди брали два камня, один с острым концом, а другой округлой формы и стукали их друг о друга.

Трение – это главная причина изнашивания технических устройств, проблема, с которой человек столкнулся также на самой заре цивилизации. И в наше время борьба с изнашиванием технических устройств – важнейшая инженерная проблема, успешное решение которой позволило бы сэкономить десятки миллионов тонн стали, цветных металлов, резко сократить выпуск многих машин, запасных частей к ним. Чтобы уменьшить трение вращающихся валов машин и станков, их опирают на подшипники. Для уменьшения трения соприкасающихся поверхностей делают гладким, между ними вводят смазку.

Трение в нашей жизни

Итак, во-первых, именно благодаря трению мы можем ходить по земле. Человек, обитающий на суше и не умеющий летать, передвигается только благодаря наличию трения покоя в защищающей ступни обуви, конструкция которой при всем разнообразии становится постепенно все более совершенной. Увы, многие модели современной обуви, радующие глаз отделкой или модным фасоном, свидетельствуют, скорее, об обратном. Надев такую обувь, нередко чувствуешь себя беспомощным не только на обледеневшем тротуаре, но и на хорошо натертом паркете какого-нибудь фойе концертного зала. Похоже, обувщики и не подозревают, что полимерные материалы, из которых сейчас все чаще изготовляют обувь, имеют значительно более низкий коэффициент трения, чем натуральная кожа, не говоря уже о резине. Отсюда и скользкие башмаки – источники нешуточных неприятностей. Например, у зимних шин машин есть шипы или специальные липучки, это делается специально для того чтобы, когда машина едет по льду шипы встревали в лед и сила трения была больше, так неровности будут цепляться друг за друга.

Зимняя подошва должна быть сделана из полиуретана, резины. Лучше, чтобы подошва была с рифлёным рисунком, тогда она не будет скользить.

На уроке мы узнали о видах трения. Различают силу трения покоя, силу трения скольжения и силу трения качения.

Проведем эксперимент для обнаружения силы трения покоя

Цель: обнаружить на опыте действие силы трения покоя

Нам понадобится: брусок, линейка или доска, стопка книг

Ход опыта: поместим брусок на наклонную доску. При не слишком большом угле наклона доски брусок может остаться на месте. Что удерживает этот брусок от соскальзывания вниз? Если бы брусок скользил вниз вдоль наклонной плоскости, сила трения была бы направлена против его движения. Если брусок не двигается, значит, его удерживает именно сила трения покоя, направленная против возможного движения бруска.

Проявление в жизни: сила трения покоя удерживает гвоздь, вбитый в доску, не дает развязаться банту на ленте, удерживает все предметы на своих местах.

Цель: обнаружить на опыте действие силы трения скольжения

Нам понадобится: брусок, динамометр, доска

Измерим вес бруска. Он равен 1,1 Н

Прикрепим динамометр к бруску и заставим его равномерно двигаться по доске. Заметим величину силы, которую показывает динамометр. Сила трения равна 0,2 Н

Увеличим силу, прижимающую брусок к поверхности доски. Для этого поместим грузы массой 50 г сверху бруска и повторим измерения:

Вывод: чем больше вес, т.е. сила, прижимающая брусок к доске, тем больше сила трения

Выясним, как зависит сила трения от площади соприкосновения тел. Для этого измерим силу трения при скольжении бруска на разных гранях:

Площадь грани, м 2

Вывод: сила трения не зависит от площади соприкосновения тел

Выясним, зависит ли сила трения от рода соприкасающихся поверхностей?

Для этого повторим измерения при движении бруска по различным поверхностям.

Опыты показали, что сила трения зависит от материала тел. Эту зависимость выражает коэффициент трения. Его находят как отношение силы трения к весу тела. В задачниках величины разных коэффициентов трения даны в виде таблицы. Например:

Материалы соприкасающихся тел

Сила трения 0,3, вес 1,1 коэффициент трения

Сила трения 0,3, вес 1,1

сила трения 1,2, вес 2,5,

Сила трения 1,7, вес 2,5

Чтобы найти коэффициент трения нужно силу трения разделить на вес бруска

Выясним: зависит ли величина силы трения от способа движения тела (скольжение или качение)

Нам понадобится: книга, карандаш

Поместили карандаш, так, чтобы карандаш скользил, заметили угол наклона книги. Поместили на эту же наклонную плоскость карандаш так, чтобы карандаш катился. При том же угле наклона карандаш пришел в движение, так как сила трения качения не смогла удержать карандаш от качения

Вывод: сила трения скольжения больше силы трения качения. Именно для того, чтобы уменьшить силу трения и легче передвигать грузы, люди используют колеса.

Если тело не скользит по поверхности другого тела, а, подобно колесу или цилиндру, катится, то возникающее в месте их контакта трение называют трением качения. Катящееся колесо несколько вдавливается в полотно дороги, и потому перед ним всё время оказывается небольшой бугорок, который необходимо преодолевать. Именно тем, что катящемуся колесу постоянно приходится наезжать на появляющийся впереди бугорок, и обусловлено трение качения.

Итак, исследование, проведенное в работе, позволяет сделать следующие выводы:

Сила трения возникает при движении одного тела по поверхности другого и направлена в сторону, противоположную возможному движения или движению.
Силу трения можно измерить с помощью динамометра, если ….
Существует несколько видов трения: покоя. Скольжения и качения. Самая маленькая сила трения – трение качения.
Сила трения возникает из-за неровностей поверхностей или из-за притяжения молекул
Силу трения можно увеличить, если увеличить прижимающую силу (вес), увеличить количество неровностей на поверхности или совсем убрать неровности, при этом сила трения возрастет из-за притяжения молекул тел.
Сила трения не зависит от площади поверхности

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

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

Никакие тела, будь они величиною с каменную глыбу или малы, как песчинки, никогда не удержатся одно на другом: всё будет скользить, и катиться, пока не окажется на одном уровне. Не будь трения, Земля представляла бы шар без неровностей, подобный росинке. К этому можно прибавить, что при отсутствии трения гвозди и винты выскальзывали бы из стен, ни одной вещи нельзя было бы удержать в руках, никакой вихрь никогда бы не прекращался, никакой звук не умолкал бы, а звучал бы бесконечным эхом, неослабно отражаясь, например, от стен комнаты.

Итак, нельзя однозначно сказать, чем является сила трения – другом или врагом. Как и у любого явления у силы трения есть положительные проявления и отрицательные. Поэтому нужно знать о проявлениях силы трения и учитывать это в своей жизни.

Например, сейчас зима, скользко, так как сила трения нашей обуви об лед очень мала и для того, чтобы ее увеличить нужно выбирать зимнюю обувь с ярко выраженным протектором, приклеить на подошву кусочки наждачной бумаги, это увеличит количество неровностей и приведет к увеличению силы трения и идти будет проще.

Но в некоторых случаях силу трения нужно уменьшать, а не увеличивать. Например, если ваша дверь скрипит, ее петли нужно смазать; если дверь плохо закрывается, то трущиеся поверхности можно протереть мылом или восковой свечой, неровности заполнятся и сила трения уменьшится. Новую молнию на одежде тоже рекомендуют протереть мылом и воском, чтобы она лучше закрывалась.

Трение — это взаимодействие, которое возникает в плоскости контакта поверхностей соприкасающихся тел.
Сила трения — это величина, которая характеризует это взаимодействие по величине и направлению.

Основная особенность: сила трения приложена к обоим телам, поверхности которых соприкасаются, и направлена в сторону, противоположную мгновенной скорости движения тел друг относительно друга. Поэтому тела, свободно скользящие по какой-либо горизонтальной поверхности, в конце концов остановятся. Чтобы тело двигалось по горизонтальной поверхности без торможения, к нему надо прикладывать усилие, противоположное и хотя бы равное силе трения. В этом заключается суть силы трения.

Откуда берётся трение

Трение возникает по двум причинам:

Все тела имеют шероховатости. Даже у очень хорошо отшлифованных металлов в электронный микроскоп видны неровности. Абсолютно гладкие поверхности бывают только в идеальном мире задач, в которых трением можно пренебречь. Именно упругие и неупругие деформации неровностей при контакте трущихся поверхностей формируют силу трения.
Между атомами и молекулами поверхностей тел действуют электромагнитные силы притяжения и отталкивания. Таким образом, сила трения имеет электромагнитную природу.

Виды силы трения

В зависимости от вида трущихся поверхностей, различают сухое и вязкое трение. В свою очередь, оба подразделяются на другие виды силы трения.

Сухое трение возникает в области контакта поверхностей твёрдых тел в отсутствие жидкой или газообразной прослойки. Этот вид трения может возникать даже в состоянии покоя или в результате перекатывания одного тела по другому, поэтому здесь выделяют три вида силы трения:

трение скольжения,
трение покоя,
трение качения.

Вязкое трение возникает при движении твёрдого тела в жидкости или газе. Оно препятствует движению лодки, которая скользит по реке, или воздействует на летящий самолёт со стороны воздуха. Интересная особенность вязкого трения в том, что отсутствует трение покоя. Попробуйте сдвинуть пальцем лежащий на земле деревянный брус и проделайте тот же эксперимент, опустив брус на воду. Чтобы сдвинуть брус с места в воде, будет достаточно сколь угодно малой силы. Однако по мере роста скорости силы вязкого трения сильно увеличиваются.

Сила трения покоя

Рассмотрим силу трения покоя подробнее.

Обычная ситуация: на кухне имеется холодильник, его нужно переставить на другое место.

Когда никто не пытается двигать холодильник, стоящий на горизонтальном полу, трения между ним и полом нет. Но как только его начинают толкать, коварная сила трения покоя тут же возникает и полностью компенсирует усилие. Причина её возникновения — те самые неровности соприкасающихся поверхностей, которые деформируясь, препятствуют движению холодильника. Поднатужились, увеличили силу, приложенную к холодильнику, но он не поддался и остался на месте. Это означает, что сила трения покоя возрастает вместе с увеличением внешнего воздействия, оставаясь равной по модулю приложенной силе, ведь увеличиваются деформации неровностей.

Пока силы равны, холодильник остаётся на месте:

Сила трения, которая действует между поверхностями покоящихся тел и препятствует возникновению движения, называется силой трения покоя

Сила трения скольжения

Что же делать с холодильником и можно ли победить силу трения покоя? Не будет же она расти до бесконечности?

Зовём на помощь друга, и вдвоём уже удаётся передвинуть холодильник. Получается, чтобы тело двигалось, нужно приложить силу, большую, чем самая большая сила трения покоя:

Теперь на движущийся холодильник действует сила трения скольжения. Она возникает при относительном движении контактирующих твёрдых тел.

Итак, сила трения покоя может меняться от нуля до некоторого максимального значения — Fтр. пок. макс И если приложенная сила больше, чем Fтр. пок. макс, то у холодильника появляется шанс сдвинуться с места.

Теперь, после начала движения, можно прекратить наращивать усилие и ещё одного друга можно не звать. Чтобы холодильник продолжал двигаться равномерно, достаточно прикладывать силу, равную силе трения скольжения:

Как рассчитать и измерить силу трения

Чтобы понять, как измеряется сила трения, нужно понять, какие факторы влияют на величину силы трения. Почему так трудно двигать холодильник?

Самое очевидное — его масса играет первостепенную роль. Можно вытащить из него все продукты и тем самым уменьшить его массу, и, следовательно, силу давления холодильника на опору (пол). Пустой холодильник сдвинуть с места гораздо легче!
Следовательно, чем меньше сила нормального давления тела на поверхность опоры, тем меньше и сила трения. Опора действует на тело с точно такой же силой, что и тело на опору, только направленной в противоположную сторону.

Сила реакции опоры обозначается N. Можно сделать вывод

Второй фактор, влияющий на величину силы трения, — материал и степень обработки соприкасающихся поверхностей. Так, двигать холодильник по бетонному полу гораздо тяжелее, чем по ламинату. Зависимость силы трения от рода и качества обработки материала обеих соприкасающихся поверхностей выражают через коэффициент трения.

Он чаще всего попадает в интервал от нуля до единицы, не имеет размерности и определяется экспериментально.

Можно предположить, что сила трения зависит также от площади соприкасающихся поверхностей. Однако, положив холодильник набок, мы не облегчим себе задачу.

Ещё Леонардо да Винчи экспериментально доказал, что сила трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей при прочих равных условиях.

Сила трения скольжения, возникающая при контакте твёрдого тела с поверхностью другого твёрдого тела прямо пропорциональна силе нормального давления и не зависит от площади контакта.

Этот факт отражён в законе Амонтона-Кулона, который можно записать формулой:

где μ — коэффициент трения, N — сила нормальной реакции опоры.

Для тела, движущегося по горизонтальной поверхности, сила реакции опоры по модулю равна весу тела:

Сила трения качения

Ещё древние строители заметили, что если тяжёлый предмет водрузить на колёсики, то сдвинуть с места и затем катить его будет гораздо легче, чем тянуть волоком. Вот бы пригодилась эта древняя мудрость, когда мы тянули холодильник! Однако всё равно нужно толкать или тянуть тело, чтобы оно не остановилось. Значит, на него действует сила трения качения. Это сила сопротивления движению при перекатывании одного тела по поверхности другого.

Причина трения качения — деформация катка и опорной поверхности. Сила трения качения может быть в сотни раз меньше силы трения скольжения при той же силе давления на поверхность. Примерами уменьшения силы трения за счёт подмены трения скольжения на трение качения служат такие приспособления, как подшипники, колёсики у чемоданов и сумок, ролики на прокатных станах.

Направление силы трения

Сила трения скольжения всегда направлена противоположно скорости относительного движения соприкасающихся тел. Важно помнить, что на каждое из соприкасающихся тел действует своя сила трения.

Бывают ситуации, когда сила трения не препятствует движению, а совсем наоборот.

Представьте, что на ленте транспортёра лежит чемодан. Лента трогается с места, и чемодан движется вместе с ней. Сила трения между лентой и чемоданом оказалась достаточной, чтобы преодолеть инерцию чемодана, и эти тела движутся как одно целое. На чемодан действует сила трения покоя, возникающая при взаимодействии соприкасающихся поверхностей, которая направлена по ходу движения ленты транспортёра.

Если бы лента была абсолютно гладкой, то чемодан начал бы скользить по ней, стремясь сохранить своё состояние покоя. Напомним, что это явление называется инерцией.

Сила трения покоя, помогающая нам ходить и бегать, также направлена не против движения, а вперёд по ходу перемещения. При повороте же автомобиля сила трения покоя и вовсе направлена к центру окружности.

Для того чтобы понять, как направлена сила трения покоя, нужно предположить, в каком направлении стало бы двигаться тело, будь поверхность идеально гладкой. Сила трения покоя в этом случае будет направлена как раз в противоположную сторону. Пример, лестница у стены.

Подведём итоги

Сила трения покоя меняется от нуля до максимального значения 0

Ответ задачи зависит от того, сдвинется ли брусок под действием внешнего воздействия. Поэтому вначале узнаем значение силы, которую нужно приложить к бруску для скольжения. Это будет максимально возможная сила трения покоя, определяющаяся по формуле Fтр. = μ ⋅ N , где N = m ⋅ g (при условии горизонтальной поверхности). Подставляя значения, получаем, что Fтр. = 35 Н. Данное значение больше прикладываемой силы, следовательно брусок не сдвинется с места. Тогда сила трения покоя будет равна внешней силе: Fтр. = F = 25 H .

Записали!
Скоро с вами свяжется консультант, расскажет об обучении в нашей онлайн-школе.
Проверьте вашу электронную почту — там письмо о том, что стоит сделать перед консультацией.

У нас вы сможете учиться в удобном темпе, делать упор на любимые предметы и общаться со сверстниками по всему миру.

Планетологи из США и Японии предполагают, что спутники Марса — Фобос и Деймос — образовались из осколков, возникших после столкновения другого более массивного спутника с Красной планетой.

Постановлением правительства РФ вдвое увеличены ежемесячные выплаты членам государственных академий наук. Текст постановления опубликован на официальном сайте кабинета министров.

Шведский дизайнер Оскар Пернефельдт (Oskar Pernefeldt) создал макет флага Земли, который может быть использован космонавтами в экспедициях и размещен на других планетах.

Авторская реконструкция причин и механизмов реформы РАН и ее последствий.

Российский научный фонд (РНФ) преодолел важный этап в своем развитии: завершена дебютная отчетная кампания грантополучателей фонда. На днях Правление РНФ утвердило решение Экспертного совета по отчетам за первый, хотя и неполный, год исследований. Большинство исполнителей проектов получили высокие оценки и отправились на второй круг, с дистанции сошли единицы.

Запущен механизм реструктуризации институтов Академии наук.

Глава РНФ Александр Хлунов рассказал о сокращении бюджета на научные гранты, лукавстве ученых и недоверии Европы

№ 3(10) / декабрь

Трение: увлекательно о фундаментальном

Лабораторный стенд для исследования эффектов трения

Одной из задач, поставленных перед Лабораторией нелинейного анализа и конструирования новых средств передвижения УдГУ, является исследование различных эффектов движения механических систем. Эффекты могут быть инициированы различными внутренними и внешними взаимодействиями, но наиболее интересны, конечно, законы и парадоксы, вызванные фундаментальными силами. Данная научно-популярная статья посвящена историческому очерку и обзору работы Лаборатории по исследованию эффектов, связанных с силой трения.

Нет движения, совершающегося на Земле, в котором не участвовало бы трение. Человек испокон веков пытается понять и контролировать это явление. Задолго до нашей эры были сделаны многие гениальные открытия в этой области, главным из которых можно считать изобретение колеса, когда человечество ловко подменило трение скольжения трением качения. Но надо отметить, что большая часть существующих работ по трению относится больше к рассмотрению статических явлений, когда влияние трения на динамику исследуется, но не в столь общей мере. И вопросы трения выходят на совсем новый уровень, когда речь идет о создании новых средств передвижения, в частности управляемых человеком робототехнических объектов. Для решения таких задач мы, безусловно, обязаны подробно изучить вопросы трения в динамике соприкасающихся тел, выявить новые закономерности и парадоксы.

С тех пор прошло более 150 лет, появились новые динамические игры: боулинг, керлинг и др., в основе которых лежат все те же классические механические и геометрические закономерности. И, конечно же, ученые всего мира увлечены попытками объяснить и детерминировать эти игровые процессы, а значит, увеличить результативность игроков. Можно сказать, игры дают пищу для размышлений. Почему некоторые тела ведут себя так, а другие иначе? Например, хорошо известно, что траектория снаряда в керлинге будет искривляться в направлении его вращения, а для мало отличной на первый взгляд хоккейной шайбы хорошо известен обратный эффект. Доказано, что круглое сплошное тело (шайба) закончит вращение и скольжение одновременно, а для выпуклых тел отмечено наличие чистого вращения после остановки скольжения. И ведь одно удовольствие наблюдать за поведением результативных игроков, знающих динамические закономерности игры, хотя многие их действия кажутся нам очень неочевидными и загадочными. Описывать экспериментальные наблюдения в исследованиях трения в динамике можно долго и увлекательно, но приходиться сделать важное заключение: к сожалению, в вопросах описания игр и динамики соприкасающихся твердых тел в целом, требующих единения теоретического и экспериментального подходов, еще очень много белых пятен.

В Лаборатории нелинейного анализа и конструирования новых средств передвижения УдГУ идет работа по разрешению парадоксов и выявлению закономерностей трения в динамике механических систем. Здесь тестируются различные динамические теории контактных взаимодействий, представленные в столь большом количестве за многовековую историю науки о трении, для чего, в частности, собран лабораторный стенд для исследования контактных взаимодействий тел, установлена дорогая высокоточная аппаратура, выверяется техника проведения экспериментов. В частности, идет теоретическая и экспериментальная работа по исследованию динамических эффектов скольжения шайбы по горизонтальной плоскости. В предположении линейного распределения давления шайбы на поверхность (что заметно усложняет вывод и запись уравнений движения, но позволяет промоделировать динамику шайб ненулевой толщины) теоретически предсказаны и экспериментально показаны эффект отклонения траектории шайбы в сторону, противоположную вращению, одновременное прекращение вращения и скольжения шайбы в момент остановки. Доказано влияние геометрии и начальных условий движения шайбы на ее динамику.

Модель тренажера для начинающих спортсменов по боулингу

С целью изучения возможного использования эффектов трения в задачах управления проведено аналитическое исследование искривления траекторий шаров для боулинга в случае переменного коэффициента трения дорожек. Для апробации полученных результатов и исследования многочисленных эффектов движения шарообразных тел на горизонтальной плоскости созданы экспериментальные модели шаров, идут исследования. На подходе экспериментальная и теоретическая работа по изучению парадоксов отрыва твердого тела на примере моделей диска и стержня под руководством докторов физико-математических наук Иванова А. П. и Мамева И. С.

По результатам исследований готовится ряд научных публикаций в соавторстве с российскими и зарубежными учеными. Лаборатория ведет сотрудничество с ведущими вузами мира, где идет интенсивная работа в этом направлении. Отметим, что многие западные спортивные ассоциации имеют научные группы, занимающиеся вопросами поднятия результативности игроков. В США, к примеру, в боулинге смазывают дорожки маслом, что ведет к искривлению траекторий шара только на финальном участке движения и, безусловно, увеличению количества страйков. В России этими вопросами занимаются в Институте проблем механики РАН, в Московском физико-техническом институте и др. Идет жаркая полемика о теоретических основах трения в динамике на страницах российских и международных журналов. Полемика, которая ждет в первую очередь своего экспериментального разрешения.

Естественно, что понимание этих, казалось бы, элементарных земных явлений — принципиальный вопрос для дальнейшей работы в направлении создания новых средств передвижения, для развития робототехники. Определенно понятно, что не только электроника является ведущим звеном, без понимания фундаментальных основ механики не будет продвижения вперед к созданию управляемых роботов, к исследованию околоземного и межпланетного пространства.

История

Первые шаги науки о трении связаны с именем великого деятеля эпохи Возрождения Леонардо да Винчи. За несколько веков до появления широко известных работ Амонтона и Кулона он обозначил многие главные закономерности феномена трения. До сих пор его инженерную разработку — подшипники скольжения — применяют в несложных механизмах водяных мельниц, ворот, опор.

Спустя 200 лет после его открытий интерес к проблеме трения возродился в Европе и России в связи с развитием кораблестроения и обрабатывающей промышленности. К этому времени уже получила широкую известность механика Ньютона, которая и явилась теоретическим фундаментом дальнейших исследований по трению. Именно в это время французский ученый Гильом Амонтон экспериментально выводит зависимость силы трения от нормального давления на площадь контакта трущихся тел: F = fN. Правда, коэффициент пропорциональности (коэффициент трения) Амонтон ошибочно полагал примерно равным 1/3 для всех пар контактирующих тел.

Шарль Огюстен Кулон

Надо отметить, что все работы того времени главным образом были нацелены на борьбу с трением, поглощающим мощности все усложняющихся машин. В настоящее же время наука о трении занимается поиском путей как уменьшения, так и увеличения трения в зависимости от поставленной задачи. В середине 20 века инициированная техническим прогрессом возникла отдельная техническая междисциплинарная наука — трибология, рассматривающая едино физические, химические, машиностроительные, металлургические и экономические аспекты явлений трения, износа и смазки машин с целью снизить потери на трение и износ оборудования. Всемирно известными учеными-трибологами, наряду с выше перечисленными, являются О. Рейнольдс, А. Зоммерфельд, С. А. Чаплыгин, Н. П. Петров, И. В. Крагельский и многие другие.

Читайте также: