Как изменяется сила трения покоя. Сила трения. Брусок на горизонтальной поверхности
Сила трения (Fтр.) - это сила, возникающая при контакте поверхностей двух тел и препятствующая их относительному перемещению. Она появляется за счёт электромагнитных сил, возникающих атомами и молекулами в месте контакта этих двух объектов.
Чтобы остановить движущийся объект, сила должна действовать в противоположную по отношению к направлению движения сторону. Например, если толкнуть книгу через стол, то она начнёт движение. Сила, с которой вы воздействовали на книгу, будет перемещать её. Книга скользит, затем замедляется и останавливается из-за влияния силы трения.
Особенности сил трения
Трение, о котором говорилось выше, проявляющееся при движении объектов называют внешним или сухим. Но оно может существовать и между частями или слоями одного объекта (жидкого или газообразного), такой вид называют внутренним.
Главной особенностью назовём зависимость трения от скорости относительного движения тел.
Существуют и другие характерные особенности:
- возникновение при контакте двух движущихся тел поверхностями;
- её действие параллельно области соприкосновения;
- направлена противоположно вектору скорости тела;
- зависит от качества поверхностей (гладкие или шероховатые), взаимодействующих объектов;
- форма или размер объекта, движущегося в газе или жидкости, влияют на величину силы трения.
Виды трения
Выделяют несколько видов. Рассмотрим их различия. На книгу, скользящую по столу, действует трение скольжения.
Сила трения скольжения
Где N - сила реакции опоры.
Обратите внимание на некоторые ситуации:
Если человек едет на велосипеде, то трение, возникающее во время контакта колеса с дорогой - трение качения. Такой вид силы значительно меньше по величине силы трения скольжения.
Сила трения качения
Существенно меньшие значения величины такого вида силы используют люди, используя колесо, ролики и шариковые подшипники в различных движущихся частях устройств.
Шарль Огюстен Кулон в своей работе по теории трения предложил вычислять силу трения качения следующим образом:
,
μ - коэффициент трения.
Смазка, чаще всего в виде тонкого слоя жидкости, уменьшает трение.
Жидкости или газы - это особые среды, в которых тоже проявляется данный вид сил. В этих средах трение проявляется только во время перемещения объекта. Нельзя говорить о силе трения покоя в данных средах.
Сила трения в жидкостях и газах
Такой вид силы называют силой сопротивления среды. Она замедляет движение объекта. Более обтекаемая форма объекта влияет на величину силы сопротивления - она значительно уменьшается. Поэтому в судостроении используются обтекаемые формы корпусов кораблей или подводных лодок.
Сила сопротивления среды зависит от:
- геометрических размеров и формы объекта;
- вязкости жидкой или газообразной среды;
- состояния поверхности объекта;
- скорости объекта относительно той среды, в которой он находится.
1. Сила трения возникает при непосредственном соприкосновении тел и всегда направлена вдоль поверхности соприкосновения. Сила трения покоя возникает когда к покоящемуся телу прикладываем некоторую силу F не приводящую тело в движение. По модулю сила трения покоя равна приложенной силе F и направлена противоположно силе, приложенной к покоящемуся телу параллельно поверхности соприкосновения его с другим телом.
2. Действует ли сила трения покоя на стол, стоящий на полу?
2. Нет, пока мы не прикладываем к нему силу F , с помощью которой хотим его сдвинуть.
3. Что такое сила давления? Обязательно ли это сила тяжести?
3. Сила давления это сила реакции опоры, а она не всегда совпадает с силой тяжести.
4. Что такое коэффициент трения?
4. Коэффициент трения - коэффициент пропорциональности между силой трения покоя и силой нормального давления.
5. Человек толкает книжный шкаф, но шкаф остается в покое. Не нарушается ли здесь второй закон Ньютона, согласно которому тело, к которому приложена сила, изменяет свою скорость?
5. Нет, т.к. в законе Ньютона под силой F подразумевается равнодействующая всех сил действующих на тело. В данном случае сила, действующая на шкаф уравновешивается силой трения покоя и равнодействующая равна нулю, следовательно, и ускорение и перемещение шкафа равны нулю.
Трения возникает при непосредственном соприкосновении тел, препятствуя их относительному движению, и всегда направлена вдоль поверхности соприкосновения.
Силы трения имеют электромагнитную природу, как и силы упругости. Трение между поверхностями двух твердых тел называют сухим трением. Трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой называют вязким трением.
Различают трение покоя , трение скольжения и трения качения .
Трение покоя - возникает не только при скольжении одной поверхности по другой, но и при попытках вызвать это скольжение. Трение покоя удерживает от соскальзывания находящиеся на движущейся ленте транспортера грузы, удерживает вбитые в доску гвозди и т. д.
Силой трения покоя называют силу, препятствующую возникновению движения одного тела относительно другого, всегда направленную против силы, приложенной извне параллельно поверхности соприкосновения, стремящейся сдвинуть предмет с места.
Чем больше сила, стремящаяся сдвинуть тело с места, тем больше сила трения покоя. Однако, для любых двух соприкасающихся тел она имеет некоторое максимальное значение (F тр.п.) max , больше которого она быть не может, и которая не зависит от площади соприкосновения поверхностей:
(F тр.п.) max = μ п N,
где μ п - коэффициент трения покоя, N - сила реакции опоры.
Максимальная сила трения покоя зависит от материалов тел и от качества обработки соприкасающихся поверхностей.
Трение скольжения . приложим к телу силу, превышающую максимальную силу трения покоя - тело сдвинется с места и начнет двигаться. Трение покоя сменится трением скольжения.
Сила трения скольжения также пропорциональна силе нормального давления и силе реакции опоры:
F тр = μN.
Трение качения . Если тело не скользит по поверхности другого тела, а, подобно колесу, катится, то трение, возникающее в месте их контакта, называют трением качения. Когда колесо катится по полотну дороги, оно все время вдавливается в него, поэтому перед ним постоянно оказывается бугорок, которых необходимо преодолеть. Этим и обусловлено трение качения. Трение качения тем меньше, чем тверже дорога.
Сила трения качения также пропорциональна силе реакции опоры:
F тр.кач = μ кач N,
где μ кач - коэффициент трения качения.
Поскольку μ кач << μ , при одинаковых нагрузках сила трения качения намного меньше силы трения скольжения.
Причинами возникновения силы трения являются шероховатость поверхностей соприкасающихся тел и межмолекулярное притяжение в местах контакта трущихся тел. В первом случае поверхности, кажущиеся гладкими, на самом деле имеют микроскопические неровности, которые при скольжении зацепляются друг за друга и мешают движению. Во втором случае притяжение проявляется даже при хорошо отполированных поверхностях.
На движущееся в жидкости или газе твердое тело действует сила сопротивления среды , направленная против скорости тела относительно среды и тормозящая движение.
Сила сопротивления среды появляется только во время движения тела в этой среде. Здесь нет ничего подобного силе трения покоя. Наоборот, предметы в воде сдвигать намного легче, чем на твердой поверхности.
Тема: Сила трения
Цель урока:
1.Ввести понятие силы трения.
2.Познакомить учащихся с особенностями силы трения
3.Показать роль трения (полезную и вредную).
4.Воспитание любознательности.
5. Развитие кругозора.
Орг. момент.
На магнитной доске
F = F 1 – F 2 
У каждого ученика на столе сигнальные карточки с числами 6, 2, 0
Вопрос: Чему равна равнодействующая сила в каждом случае?
Дети сигнализируют ответ.
Тему урока поможет определить рассказ:
Сон Вовки.
Всю ночь я спал неспокойно. Одеяло то и дело падало с кровати на пол и поднять его было невероятно трудно -оно непременно старалось выскользнуть из рук. Все же, наконец, я уснул, но проснувшись утром, не узнал своей комнаты, Оказывается, я спал на полу в углу, где почему-то сгрудились все вещи. Очевидно, исчезло трение, поэтому я упал с кровати, а все вещи под действием силы тяжести двинулись в один угол: там пол был немного ниже. Я попробовал было встать, но, поднявшись, тут же упал. После неоднократных, очень неудачных попыток встать, я пришёл к выводу, что нет ничего вернее, чем перебираться на четвереньках. Правда, руки и ноги все время разъезжались, но всё-таки я кое-как добрался до умывальника и в удивлении остановился: вода сильной струёй била из крана. Ручка крана оказалась почему-то очень скользкой, и я с большим трудом завинтил было кран, но стоило мне отпустить руку, как кран тотчас же развинтился, и вода полилась прежним напором. Решил я умыться. О, это оказалось очень сложным делом! Сколько я ни старался взять мыло в руки, оно, как бы дразня меня, крутилось в мыльнице, кстати, тоже крутящейся на полочке и определенно не хотело поддаваться. Махнув рукой, я сунул руки под струю воды и почувствовал резкий толчок, от которого едва не упал. Все-таки я умылся, хотя и без мыла. Но совсем приуныл, когда обнаружил, что, как бы туго ни затягивал я ремень в брюках, они все норовили свалиться, а пиджак тоже все время сползал с плеч. Так же плохо было и с ботинками. Никакими хитростями нельзя было завязать шнурки, мгновенно развязывались сложные, морские узлы. Случайно подвернулся кусок проволоки, которую я продел я продел в дырочки для шнурков и закрутил. С большей осторожностью, передвигая ноги так, как ходят на лыжах, я направился в кухню. И здесь меня встретили неожиданности. Безуспешно я пытался взять нож, чтобы отрезать ломтик хлеба; нож вел себя примерно так же, как мыло при умывании. Пришлось, навалившись всем телом на буханку и прижав ее руками к груди, откусывать хлеб прямо от буханки, не меняя положения, ибо при малейшем движении буханка стремилась выскользнуть из рук. Молоко пришлось пить по-кошачьи: стакан взять в руку было абсолютно невозможно. Как я был счастлив, когда снова появилось ОНО!
О чем речь?
Правильно, запишите, пожалуйста, тему урока в тетради.
Представьте, что вы катаетесь на велосипеде. Вы разогнались, а затем перестали крутить педали велосипеда. Какое-то время велосипед ещё продолжает двигаться, а затем останавливается. Что ему мешает двигаться дальше?
При движении одного тела по поверхности другого возникает сила трения.
1.Если одно тело катится по поверхности другого, возникает сила трения качения.
Демонстрация. Каток. Примеры: При движении колес велосипеда, самолета, машины, при перекатывании круглых брёвен или бочек по земле.
2.Если одно тело скользит по поверхности другого, возникает сила трения скольжения
Демонстрация. Брусок скользит по трибометру. Примеры Движение саней или лыж по снегу.
3. Если одно тело покоится по поверхности другого, возникает сила трения покоя.
Демонстрация. Горка песка не рассыпается. Примеры Удерживается гвоздь, вбитый в стенку, не развязывается бант.
Какая же из приведенных сил больше? Меньше?
Фронтальный эксперимент. Динамометр, брусок, каток, трибометр. Измерение сил трения покоя, качения, скольжения динамометром. Сформулируйте вывод.
Сила трения всегда направлена против движения.
Примеры:
Посмотрите внимательно на рисунок на доске. Закройте глазки. Попытайтесь мысленно нарисовать рисунок. Откройте глаза. Посмотрите ещё раз на схематическое изображение силы трения. Я закрываю доску. Попробуйте воспроизвести рисунок в тетради.
Открываю доску. Покажите сигнальной карточкой (с одной стороны-зелёного; с другой-красного цвета) у кого не было ни одной ошибки.
Работа с учебником. По тексту найти причину трения.
Ответ: шероховатость поверхности, взаимное притяжение молекул
Запишем в тетради:
Сила трения зависит от материала соприкасающихся тел, от степени шероховатости поверхности.
Сила трения НЕ зависит от площади соприкасающихся тел.
Объясните пословицы:
Сухая ложка рот дерёт
Скрипит как немазаная телега
Скользкий, как налим
Идёт как по маслу
Отгадайте загадки:
На красных лапках гусь тяжёлый,
Задумав плыть по лону вод,
Ступает бережно на лёд,
Скользит и падает…
Почему падает гусь?
Мальчишек радостный народ
Коньками звучно режет лёд
Почему коньки должны резать лёд?
В гололедицу зимой
Над замерзшею водой
Чья-то добрая рука
Посыпает слой песка.
Все скорее отвечают
Для чего так поступают?
4.Я хотела б очень знать
Почему живую рыбу
Очень трудно удержать?
Запись в тетрадь:
Уменьшают силу трения шлифовка, смазка, уменьшение нагрузки.
Увеличивают силу трения использование специальных материалов, увеличение нагрузки.
Творческое Д/З Написать сочинение «Что было бы, если бы не было силы трения»
Информация для расширения кругозора обучающихся.
Материал для дополнительного чтения распечатать на каждый стол.
В жизни многих растений трение играет положительную роль. Например, горох, бобы цепляются за опоры, удерживаются на них и тянутся к свету. Трение здесь создается за счет того, что стебли многократно обвивают опоры и очень плотно прилегают к ним.
У растений, имеющих корнеплоды, такие, как морковь, свекла, репа, сила трения о грунт способствует удержанию их в почве. Поэтому так трудно вытащить из земли большую свеклу, редьку или репу.
Таким растениям, как репейник, трение помогает распространять семена, имеющие колючки с небольшими крючками на концах. Эти колючки зацепляются за шерсть животных и вместе с ними перемещаются.
Семена же гороха, орехи благодаря своей шарообразной форме и малому трению качения перемещаются легко сами.
Тело рыб имеет обтекаемую форму и покрыто слизью, что позволяет им развивать при плавании большую скорость.
Щетинистый покров моржей, тюленей, морских львов помогает им передвигаться по суше и льдинам.
Чтобы увеличить сцепление с грунтом, стволами деревьев, на конечностях животных имеется целый ряд различных приспособлений: когти, острые края копыт, подковные шипы, тело пресмыкающихся покрыто бугорками и чешуйками.
Действие органов хватания (хватательные органы жуков, клешни рака; передние конечности и хвост некоторых пород обезьян; хобот слона) тоже тесно связано с трением.
«Физика - 10 класс»
Вспомните, что такое трение.
Какими факторами оно обусловлено?
Почему изменяется скорость движения по столу бруска после толчка?
Ещё один вид сил, с которыми имеют дело в механике, - это силы трения. Эти силы действуют вдоль поверхностей тел при их непосредственном соприкосновении.
Силы трения во всех случаях препятствуют относительному движению соприкасающихся тел. При некоторых условиях силы трения делают это движение невозможным. Однако они не только тормозят движение тел. В ряде практически важных случаев движение тела не могло бы возникнуть без действия сил трения.
Трение, возникающее при относительном перемещении соприкасающихся поверхностей твёрдых тел, называется сухим трением .
Различают три вида сухого трения: трение покоя, трение скольжения и трение качения.
Трение покоя.
Попробуйте сдвинуть пальцем лежащую на столе толстую книгу. Вы приложили к ней некоторую силу, направленную вдоль поверхности стола, а книга остаётся в покое. Следовательно, между книгой и поверхностью стола возникает сила, направленная против той силы, с которой вы действуете на книгу, и в точности равная ей по модулю. Это сила трения тp . Вы с большей силой толкаете книгу, но она по-прежнему остаётся на месте. Значит, и сила трения тp настолько же возрастает.
Силу трения, действующую между двумя телами, неподвижными относительно друг друга, называют силой трения покоя .
Если на тело действует сила , параллельная поверхности, на которой оно находится, и тело при этом остаётся неподвижным, то это означает, что на него действует сила трения покоя тp , равная по модулю и направленная в противоположную сторону силе (рис. 3.22). Следовательно, сила трения покоя определяется действующей на него силой:
Если действующая на покоящееся тело сила хотя бы немного превысит максимальную силу трения покоя, то тело начнёт скользить.
Наибольшее значение силы трения, при котором скольжение ещё не наступает, называется максимальной силой трения покоя .
Для определения максимальной силы трения покоя существует весьма простой, но не очень точный количественный закон. Пусть на столе находится брусок с прикреплённым к нему динамометром. Проведём первый опыт. Потянем за кольцо динамометра и определим максимальную силу трения покоя. На брусок действуют сила тяжести m, сила нормальной реакции опоры 1 , сила натяжения 1 , пружины динамометра и максимальная сила трения покоя тр1 (рис. 3.23).
Положим на брусок ещё один такой же брусок. Сила давления брусков на стол увеличится в 2 раза. Согласно третьему закону Ньютона сила нормальной реакции опоры 2 также увеличится в 2 раза. Если мы снова измерим максимальную силу трения покоя, то увидим, что она увеличилась во столько раз, во сколько раз увеличилась сила 2 , т. е. в 2 раза.
Продолжая увеличивать число брусков и измеряя каждый раз максимальную силу трения покоя, мы убедимся в том, что
>максимальное значение модуля силы трения покоя пропорционально модулю силы нормальной реакции опоры.
Если обозначить модуль максимальной силы трения покоя через F тр. mах, то можно записать:
F тр. mах = μN (3.11)
где μ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения. Коэффициент трения характеризует обе трущиеся поверхности и зависит не только от материала этих поверхностей, но и от качества их обработки. Коэффициент трения определяется экспериментально.
Эту зависимость впервые установил французский физик Ш. Кулон.
Если положить брусок на меньшую грань, то F тр. mах не изменится.
Максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения тел.
Сила трения покоя изменяется в пределах от нуля до максимального значения, равного μN. За счёт чего может происходить изменение силы трения?
Дело здесь вот в чём. При действии на тело некоторой силы оно слегка (незаметно для глаза) смещается, и это смещение продолжается до тех пор, пока микроскопические шероховатости поверхностей не расположатся относительно друг друга так, что, зацепляясь одна за другую, они приведут к появлению силы, уравновешивающей силу . При увеличении силы тело опять чуть-чуть сдвинется так, что мельчайшие неровности поверхностей по-иному будут цепляться друг за друга, и сила трения возрастёт.
И лишь при > F тр. mах ни при каком взаимном расположении шероховатостей поверхности сила трения не в состоянии уравновесить силу , и начнётся скольжение.
Зависимость модуля силы трения скольжения от модуля действующей силы показана на рисунке 3.24.
При ходьбе и беге на подошвы ног действует сила трения покоя, если только ноги не скользят. Такая же сила действует на ведущие колёса автомобиля. На ведомые колёса также действует сила трения покоя, но уже тормозящая движение, причём эта сила значительно меньше силы, действующей на ведущие колёса (иначе автомобиль не смог бы тронуться с места).
В давнее время сомневались, что паровоз сможет ехать по гладким рельсам. Думали, что трение, тормозящее ведомые колёса, будет равно силе трения, действующей на ведущие колёса. Предлагали даже делать ведущие колёса зубчатыми и прокладывать для них специальные зубчатые рельсы.
Трение скольжения.
При скольжении сила трения зависит не только от состояния трущихся поверхностей, но и от относительной скорости движения тел, причём эта зависимость от скорости является довольно сложной. Опыт показывает, что часто (хотя и не всегда) в самом начале скольжения, когда относительная скорость ещё мала, сила трения становится несколько меньше максимальной силы трения покоя. Лишь затем, по мере увеличения скорости, она растёт и начинает превосходить F тр. mах.
Вы, вероятно, замечали, что тяжёлый предмет, например ящик, трудно сдвинуть с места, а потом двигать его становится легче. Это как раз и объясняется уменьшением силы трения при появлении скольжения с малой скоростью (см. рис. 3.24).
При не слишком больших относительных скоростях движения сила трения скольжения мало отличается от максимальной силы трения покоя. Поэтому приближённо можно считать её постоянной и равной максимальной силе трения покоя:
F тр ≈ F тр. mах = μN.
Силу трения скольжения можно уменьшить во много раз с помощью смазки - чаще всего тонкого слоя жидкости (обычно того или иного сорта минерального масла) - между трущимися поверхностями.
Ни одна современная машина, например двигатель автомобиля или трактора, не может работать без смазки. Специальная система смазки предусматривается при конструировании всех машин.
Трение между слоями жидкости, прилегающими к твёрдым поверхностям, значительно меньше, чем между сухими поверхностями.
Трение качения.
Сила трения качения существенно меньше силы трения скольжения, поэтому гораздо легче перекатывать тяжёлый предмет, чем двигать его.
Сила трения зависит от относительной скорости движения тел. В этом её главное отличие от сил тяготения и упругости, зависящих только от расстояний.
Силы сопротивления при движении твёрдых тел в жидкостях и газах.
При движении твёрдого тела в жидкости или газе на него действует сила сопротивления среды. Эта сила направлена против скорости тела относительно среды и тормозит движение.
Главная особенность силы сопротивления состоит в том, что она появляется только при наличии относительного движения тела и окружающей среды.
Сила трения покоя в жидкостях и газах полностью отсутствует.
Это приводит к тому что усилием рук можно сдвинуть тяжёлое тело, например плавающую лодку, в то время как сдвинуть с места, скажем, поезд усилием рук просто невозможно.
Модуль силы сопротивления F c зависит от размеров, формы и состояния поверхности тела, свойств среды (жидкости или газа), в которой тело движется, и, наконец, от относительной скорости движения тела и среды.
Примерный характер зависимости модуля силы сопротивления от модуля относительной скорости тела показан на рисунке 3.25. При относительной скорости, равной нулю, сила сопротивления не действует на тело (F c = 0). С увеличением относительной скорости сила сопротивления сначала растёт медленно, а затем всё быстрее и быстрее. При малых скоростях движения силу сопротивления можно считать прямо пропорциональной скорости движения тела относительно среды:
F c = k 1 υ, (3.12)
где k 1 - коэффициент сопротивления, зависящий от формы, размеров, состояния поверхности тела и свойств среды - её вязкости. Вычислить коэффициент k 1 теоретически для тел сколько-нибудь сложной формы не представляется возможным, его определяют опытным путём.
При больших скоростях относительного движения сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости:
F c = k 2 υ 2 , υ, (3.13)
где k 2 - коэффициент сопротивления, отличный от k 1 .
Какую из формул - (3 12) или (3.13) - можно использовать в конкретном случае, определяется опытным путём. Например, для легкового автомобиля первую формулу желательно применять приблизительно при 60-80 км/ч, при больших скоростях следует использовать вторую формулу.
