Zajímavá fakta o síle tření ve fyzice. Tření Druhy třecích sil Na čem závisí třecí síla? Tření v mechanismech a strojích Zajímavosti
Úvod.
S třením se setkáváme na každém kroku. Ale navzdory velké roli, kterou tření hraje v našich životech, nebyl dosud vytvořen dostatečně úplný obraz o výskytu tření. Není to dáno ani tím, že by tření bylo složité povahy, ale spíše tím, že experimenty s třením jsou velmi citlivé na povrchovou úpravu, a proto jsou obtížně reprodukovatelné.
Když mluvíme o tření, existují tři poněkud odlišné fyzikální jevy: odpor při pohybu tělesa v kapalině nebo plynu; nazývá se tření kapaliny; odpor, který nastává, když těleso klouže po nějakém povrchu, je kluzné tření nebo suché tření; odpor vznikající odvalováním tělesa – valivé tření .
Historie vzniku třecí síly
První formulace síly tření je připisována Leonardu da Vinci. Tvrdil, že třecí síla vznikající při kontaktu tělesa s povrchem jiného tělesa je úměrná zatížení (tlačné síle), směřuje proti směru pohybu a nezávisí na ploše styku.
Leonardův model znovuobjevil o 180 let později G. Amonton a svou konečnou formulaci získal v dílech Coulomba (1781). Amonton a Coulomb zavedli koncept koeficientu tření jako poměr třecí síly k zátěži, což mu dalo hodnotu fyzikální konstanty, která zcela určuje třecí síla pro jakýkoli pár kontaktních materiálů. Zatím tento vzorec
kde P je přítlačná síla a Ftr je třecí síla, je jediný vzorec, který se objevuje v učebnicích fyziky, a hodnoty součinitele tření ftr pro různé materiály (ocel na oceli, ocel na bronzu, litina na kůži atd.) jsou součástí standardních strojírenských příruček a slouží jako základ pro tradiční technické výpočty.
Již v 19. století se však ukázalo, že Amontonův-Coulombův zákon nepodává správný popis třecí síly a koeficienty tření nejsou v žádném případě univerzální charakteristiky. Nejprve bylo poznamenáno, že koeficienty tření závisí nejen na tom, jaké materiály jsou v kontaktu, ale také na tom, jak hladce jsou opracovány kontaktní plochy. Také se ukázalo, že síla statického tření se liší od síly tření při pohybu. Abychom si připomněli, co se obvykle rozumí statickým třením, uveďme schéma nejjednoduššího pokusu (obr. 1).
Zkusíme přesunout těleso z místa tahem za lanko pružinovým siloměrem. Při malém pohybu konce lanka zůstává těleso na místě: síla vyvinutá pružinou dynamometru nestačí. Obvykle se říká, že na styčných plochách vzniká třecí síla, která vyvažuje působící sílu. Postupně zvyšujeme posuv a s ním i elastickou sílu působící na těleso. V určitém okamžiku se ukáže, že stačí přesunout tělo z jeho místa. Údaj na dynamometru zaznamenaný v tomto okamžiku se obvykle nazývá síla statického tření, která charakterizuje omezující možnosti nehybné (statické) adheze těles. Pokud budeme pokračovat v pomalém tahu za kabel, pak tělo pojede po povrchu. Ukazuje se, že údaje na dynamometru zaznamenané během pohybu nebudou stejné jako v okamžiku rozjezdu. Obvykle je třecí síla při pomalém pohybu menší než síla odtržení, statického tření. Coulomb přesně studoval sílu tření při pomalém vzájemném pohybu těles, která se dotýkají, a zjistil, že tato síla nezávisí na velikosti rychlosti, ale pouze na směru pohybu (vždy namířeného proti pohybu).
Konec 19. století byl ve znamení pozoruhodných úspěchů ve studiu viskozity, tedy tření v kapalinách. Pravděpodobně je již od pravěku známo, že povrchy mazané tukem nebo dokonce jednoduše navlhčené tobogánem mnohem jednodušší. Mazání třecích ploch se používá od počátku technologie, ale teprve O. Reynolds v roce 1886 podal první teorii mazání.
V přítomnosti dostatečně silné vrstvy maziva, která zajišťuje nepřítomnost přímého kontaktu mezi třecími plochami, je třecí síla určena pouze vlastnostmi mazací vrstvy. Statická startovací síla je nulová a s rostoucí rychlostí se zvyšuje odpor proti pohybu. Pokud není dostatečné mazání, fungují všechny tři mechanismy: síla statického odporu při rozjezdu, Coulombova síla a síla viskózního odporu.
Koncem 19. století se tedy vyjasnil obraz závislosti třecí síly na rychlosti, prezentovaný grafem (obr. 2, a). Ale již na prahu 20. století se objevily pochybnosti o správnosti tohoto obrazu při velmi nízkých rychlostech. V roce 1902 publikoval Striebeck údaje, které naznačovaly, že při absenci mazání neklesne odporová síla okamžitě z úrovně startovací síly na Coulombovu sílu, ale s rostoucí rychlostí dochází k postupnému poklesu síly - efekt opačný k hydrodynamické viskozitě . Tato skutečnost byla v budoucnu opakovaně ověřena a nyní se běžně označuje jako Stribeckův efekt. Obrázek závislosti třecí síly na rychlosti (obr. 2, b.).
Rychle se rozvíjející technologie 20. století vyžadovala stále větší pozornost studiu tření. Ve 30. letech se výzkum v oblasti tření natolik zintenzivnil, že bylo nutné jej vyčlenit jako speciální vědu - tribologii, která leží na průsečíku mechaniky, fyziky povrchových jevů a chemie (tvorba nových maziv je podnikání chemiků). Jen v USA v současné době pracuje v této oblasti více než 1000 výzkumníků a ročně je publikováno více než 700 článků ve světové vědě.
Moderní obraz tření.
Abychom pochopili alespoň základy tribologie, měli bychom se nejprve věnovat topografii povrchů částí skutečných mechanismů, které jsou ve vzájemném kontaktu. Tyto povrchy nejsou nikdy dokonale rovné, mají mikrodrsnosti. Místa výstupků na jedné ploše se vůbec neshodují s místy výstupků na druhé. Jak obrazně řekl jeden z průkopníků tribologie F. Bowden, „uložení dvou pevných těles na sebe je podobné jako uložení švýcarských Alp na obrácené rakouské Alpy – kontaktní plocha se ukáže jako být velmi malý." Při stlačení se však špičaté „horské vrcholy“ plasticky deformují a skutečná kontaktní plocha se zvětšuje úměrně aplikovanému zatížení. Právě odpor vůči relativnímu smyku těchto kontaktních zón je hlavním zdrojem pohybového tření. Samotný smykový odpor v ideálním kontaktu je určen mezimolekulární interakcí, která závisí na povaze kontaktních materiálů.
Je tedy vysvětlen vliv dvou hlavních faktorů: zatížení (tlakové síly) a vlastností materiálů. Existují však dvě komplikující okolnosti. Za prvé, kovové povrchy na vzduchu jsou rychle pokryty tenkým filmem oxidů a ve skutečnosti nedochází ke kontaktu mezi čistě kovovými povrchy, ale mezi oxidovými filmy, které mají nižší smykový odpor. Pronikání jakéhokoli kapalného nebo pastovitého maziva obecně mění kontaktní vzor. Za druhé, při relativním smyku se provádí nejen klouzání po kontaktních podložkách, ale také elastická deformace výstupků, vrcholy. Vyberme schematicky pouze dva vrcholy (prakticky sklon jejich sklonů je cca 10?-20?, ale pro názornost jsou na obr. 3 zakresleny strměji). Když se pokusíte pohybovat ve vodorovném směru, jeden vrchol začne ohýbat druhý, to znamená, že se nejprve snaží vyhladit silnici a pak po ní klouže. Šířka vrcholů je malá (řádově setiny milimetru) a v rámci takových mikroposunutí vedoucí role je to pružný odpor, který hraje, to znamená, že síla musí dodržovat Hookeův zákon, být úměrná posunutí. Jinými slovy, u mikroposunutí se zdá, že kontaktní plochy jsou spojeny jakoby četnými pružinami. Ale poté, co horní vrchol v průběhu pohybu překročí spodní (a oba jsou zploštělé), pružina se zlomí, dokud nenarazí na novou překážku. Po aplikaci podélné síly mající tendenci pohybovat dvěma tělesy tedy mohou vzniknout následující čtyři hlavní režimy: režimy
I elastické mikroposuny, mod
II skluz na styčných plochách měkké povrchové vrstvy (oxidové filmy), mod
III, kdy při vyšší rychlosti vytlačované tekuté mazivo vytváří zvedací sílu, která porušuje většina přímé kontakty a tím snížení třecí síly,
IV, kdy přímé kontakty zcela vymizí, jedno těleso v mazací vrstvě „plave“ přes druhé a s rostoucí rychlostí roste viskózní odpor.
Nechodím – jen jdu
Protože je ledový
Ale padá skvěle!
Proč není nikdo šťastný?
Na první pohled naivní říkanka - a jak moc toho obsahuje, když se na to podíváte z fyzického hlediska! Ostatně právě v něm je obsažen systém rozporuplného postoje k notoricky známé síle tření. Tato neustálá bitva, kde spolu soupeří dva koncepty – škoda a výhody síly tření, nikdy nebude mít vítěze. Vždyť to, co je pro jednoho pohodlné a prospěšné, je pro druhého často zcela opačné – špatné, jako v této básni.
Pamatujete si příběh Nikolaje Nosova o ledové skluzavce, kterou kluci postavili na dvoře? A když všichni odešli na večeři, vyšel ten, kdo se na stavbě nepodílel. Pokusil se na něj vylézt, ale jen si ublížil, ale vylézt se mu nepodařilo. A dítě hádalo, že posype písek na led - bylo velmi pohodlné vylézt na samotný vrchol i na ledu! Když tedy chlapec zpevnil pomocí písku mezi kluzkým ledem a podrážkou, uvědomil si, že použití tření mu umožňuje překonávat překážky.
Ale po obědě děti vyšly s kostkami ledu, aby se dosyta projely na skluzavce. Ale nebylo to tam: saně nejedou po písku! Pro ně se tato situace obrátila na druhou stranu a ukázala poškození tření.
Podobné případy pozorujeme v zimě, kdy si kluci vyvalují ledové cesty a řítí se po nich v běhu, přičemž vzdálenost urazí v řádu minut! A pak se postarší lidé pokulhávají, kloužou na zasněžených rolích a padají a lámou si ruce a nohy. Zde jsou opět ilustrativní příklady, kde ve stejném případě koexistuje jak poškození, tak přínos síly tření.
Právě kvůli snížení třecí síly si lyžaři promazávají lyže speciálními mastmi, aby zvýšili rychlost při pohybu. Kluziště, kde se bruslaři nebo krasobruslaři zabývají, se pravidelně zavlažují a čistí – také kvůli snížení tření. A pěšiny jsou naopak posypané pískem nebo popelem, aby na ně nikdo nespadl. Někteří inovátoři dokonce přišli s nápadem nalepit kousky smirkového papíru na podrážky zimních bot a bot jen pro zvýšení třecí síly.
Totéž se děje s koly aut. Není žádným tajemstvím, že s nastupující zimou řidiči „obouvají“ své železné koně do speciálních „zimních pneumatik“. Jinak auto bez užitečné třecí síly v zatáčkách smykne, jede a často to řidič špatně zvládá. A jak nehoda skončí, ví každý sám.
Něco, co jsme všichni o zimě, ale o ledu, ale o pádu. Existují však v každodenním životě jiné okamžiky, kdy můžete jasně vidět, jak si škodlivost a přínos síly tření navzájem konkurují? Samozřejmě že ano! Jsou všude. Dokonce i v našem pokoji.
Tady je například obrovský a těžký šatník. Stojí samo o sobě, jakoby zakořeněné na místě, a nehýbe se. A kdyby síla tření náhle zmizela, co by se pak mohlo stát? A tenhle hromotluk by zmizel i při nejlehčím tlačení v místnosti! A stále není známo, zda se nám to podaří vyhnout. Dobrá třecí síla, užitečné!
Ale moje matka se rozhodla přestavět nábytek. A tuto notoricky známou skříň musíte přesunout na jinou zeď. Raz, dva, vezmi to! Tři - čtyři, napjatý! Všechno se ukáže jako zbytečné: čím těžší předmět, tím silnější třecí síla na něm drží. Strašná, odporná síla!
Opět mezi sebou soutěží - škoda a výhoda síly tření. Není potřeba žádná soutěž! Stačí dobře znát fyzikální zákony a umět z těchto znalostí vytěžit praktické výhody. V tomto není potřeba Znamená to, že by měla být snížena: aby byly kontaktní plochy hladší, kluzké. Někdo k tomu radí potřít podlahu mýdlem nebo olejem, někdo dává pod nohy těžkého předmětu mokrý hadr. A teď - raz - dva - a máte hotovo! Docela snadno přesunul jakýsi kolos ze svého místa.
Síla tření nás neustále provází celým životem, stejně jako Někde nám dělá nepříjemnosti, ale někde se bez ní neobejdeme. Ale ať je to jak chce, existuje a naším úkolem je naučit se používat fyzikální zákony aby se náš život stal pohodlnějším a pohodlnějším.
Věda
Evropští vědci poskytli moderní vysvětlení původu kluzného tření mezi pevnými předměty. Navzdory skutečnosti, že tření je jedním ze základních jevů moderní aplikované fyziky, Tento fenomén nepřestal být studován po mnoho staletí.. Až do dnešních dnů se věřilo, že mechanická odolnost proti opotřebení a přítomnost (nebo nepřítomnost) kapalného mazání patří mezi hlavní faktory ovlivňující tření, ale základní příčiny kluzného tření zůstaly neznámé.
Dr. Lacey Makkonen, vedoucí výzkumný pracovník Technického výzkumného centra ve Finsku, představil své vlastní vysvětlení původu kluzného tření mezi pevnými předměty. Jeho teorie plně potvrzuje skutečnostže velikost tření závisí také na tzv. povrchové energii daných materiálů. Tření má přitom výrazný vliv na mnoho jevů, se kterými se setkáváme pokaždé (jako je například pohlcování energie).
Nový termodynamický model vytvořený Makkonenem je první svého druhu, který kvantifikuje koeficient tření materiálů s přihlédnutím k povrchové energii materiálů. Model to skutečně ukazuje ke tření dochází, když se materiály dostanou do kontaktu na úrovni nanoměřítek, což je důsledek tvorby nových vazeb na atomové úrovni. Tato teorie doplňuje vysvětlení původu třecí síly a přítomnosti třecího ohřevu při suchém tření. Lze jej také použít k přesnějšímu výpočtu koeficientů tření pro kombinace různých materiálů.
Zkonstruovaný model také umožňuje přesněji řídit procesy tření výběrem konkrétního povrchu materiálů nebo použitím mazacích vrstev, s přihlédnutím k přítomnosti povrchové energie mezi nimi. Je pozoruhodné, že tato teorie potvrzuje názory mnoha fyziků, že ve známých tabulkách s koeficienty tření v nich uváděných pro různé materiály (zejména pro homogenní) jsou patrné nepřesnosti.
Víte, že už v roce 1500 se brilantní Leonardo da Vinci velmi zajímal o to, na čem závisí třecí síla a co to je? Podivné experimenty, které prováděl, způsobily mezi jeho studenty značné překvapení a co jiného se dalo čekat od lidí, kteří vidí, jak talentovaný vědec táhne lano po podlaze, ať už rozmotané v celé délce, nebo pevně zkroucené. Tyto a další podobné experimenty mu umožnily dospět k závěru o něco později (v roce 1519): třecí síla, která se objeví, když se jedno těleso dotkne povrchu druhého, přímo závisí na zatížení (tlačné síle), nezávisí na interakční oblasti a je směrována v opačném směru ze strany pohybu.
Objev formule
Uplynulo 180 let a model Leonarda znovu objevil G. Amonton a v roce 1781 jí S. O. Coulomb dal konečnou formulaci ve svých dílech. Předností těchto dvou vědců je, že zavedli takovou fyzikální konstantu, jako je koeficient tření, čímž umožnili odvodit vzorec, pomocí kterého je možné vypočítat, jaká je třecí síla pro konkrétní dvojici interagujících materiálů. Až do teď tento výraz
Ft = kt x P, kde
P je přítlačná síla (zatížení) a kt je koeficient tření, rok od roku migruje do různých učebnic a učebnic fyziky a samotné koeficienty jsou již dlouho vypočteny a jsou obsaženy ve standardních technických příručkách. Zdálo by se, že s tímto fenoménem konečně nastala úplná jasnost, ale nebylo tomu tak.
Nové nuance
V 19. století se vědci přesvědčili, že formulace navržená Amontonem a Coulombem není univerzální a absolutně správná a třecí síla nezávisí pouze na koeficientech a působícím zatížení. Navíc je tu ještě třetí faktor – kvalita povrchové úpravy. V závislosti na tom, zda je hladká nebo drsná, bude třecí síla trvat jiný význam. V zásadě je to celkem logické: přemisťování klouzavého předmětu je mnohem snazší ve srovnání s přemisťováním předmětu s nerovným povrchem. A na konci 19. století se objevily nové úspěchy ve studiu viskozity a ukázalo se, jak působí třecí síla v kapalinách. A přestože se mazání třecích ploch používalo od samého počátku vzniku techniky, teprve v roce 1886 se zásluhou O. Reynoldse objevila ucelená teorie věnovaná mazání.
Pokud tedy stačí a nedojde k přímému kontaktu dvou předmětů, závisí třecí síla pouze na její hydrodynamice. A pokud není dostatek maziva, aktivují se všechny tři mechanismy: Coulombova síla, síla viskózního odporu a síla, která brání startu z místa. Myslíte si, že tato teorie ukončila studium tohoto jevu? Přesně tak, ne. Na přelomu 20. a 20. století se ukázalo, že při nízkých otáčkách při absenci mazání dochází ke Stribeckově efektu. Její podstata spočívá v tom, že když nedochází k mazání, odporová síla neklesá okamžitě ze startovací síly na úroveň coulombovské síly, ale postupně klesá s rostoucí rychlostí. Další výzkumy v této oblasti přinesly ve dvacátém století tolik nových informací, že je bylo potřeba nějak systematizovat. V důsledku toho se objevila celá věda - tribologie, která studuje, jak funguje třecí síla v přírodě. Jen v USA přesáhl počet vědců pracujících v této oblasti tisíc lidí a ve světě je ročně publikováno přes 700 článků na toto téma. Je zvědavé, co dalšího zajímaví vědci budou moci objevit? Počkej a uvidíš!
Obecní rozpočtová vzdělávací instituce
"Pervomajská střední škola"
Pervomajský
Výzkumná práce
"Síla tření a její užitečné vlastnosti"
Dokončil: Platon Alexey,
žák 9 - třída "D".
Dozorce:
,
Učitel fyziky
Pervomajský
Tambovská oblast
2012
1. Úvod 3
2. Výzkum veřejný názor. 4
3. Co je to tření (trochu teorie). 5
3.1. Tření odpočinku. 5
3.2. Kluzné tření. 6
3.3. Valivé tření. 6
3.4. Odkaz na historii. 8
3.5. Koeficient tření. 9
3.6. Role třecích sil. jedenáct
4. Výsledky experimentů. 12
5. Projekční práce a závěry. 13
6. Závěr. patnáct
7. Seznam použité literatury. 16
1. Úvod
Problém:Abychom pochopili, zda potřebujeme třecí sílu, a abychom zjistili její užitečné vlastnosti.
Jak auto zrychluje a jaká síla jej zpomaluje při brzdění? Proč auto na kluzké vozovce "smykne"? Co způsobuje rychlé opotřebení dílů? Proč se auto nemůže náhle zastavit při akceleraci do vysokých rychlostí? Jak se rostliny udržují v půdě? Proč je těžké držet živou rybu v ruce? Jak vysvětlit vysoké procento úrazů a dopravních nehod při náledí v zimě?
Na tyto a mnohé další otázky související s pohybem těles dávají odpovědi zákony tření.
Z výše uvedených otázek vyplývá, že tření je jev škodlivý i prospěšný.
V 18. století objevil francouzský fyzik zákon, podle kterého síla tření mezi pevnými látkami nezávisí na ploše kontaktu, ale je úměrná reakční síle podložky a závisí na vlastnostech kontaktních ploch. . Závislost třecí síly na vlastnostech styčných ploch je charakterizována koeficientem tření. Koeficient tření leží v rozmezí od 0,5 do 0,15. Ačkoli od té doby bylo předloženo mnoho hypotéz k vysvětlení tohoto zákona, stále neexistuje úplná teorie třecí síly. Tření je určeno vlastnostmi povrchu pevných látek a ty jsou velmi složité a dosud nebyly plně prozkoumány.
Základní cíle tento projekt : 1) Studovat povahu třecích sil; prozkoumat faktory, na kterých závisí tření; zvažte druhy tření.
2) Zjistěte, jak člověk získal znalosti o tomto jevu, jakou má povahu.
3) Ukázat, jakou roli hraje fenomén tření nebo jeho absence v našem životě; odpovězte na otázku: Co víme o tomto fenoménu?
4) Vytvářejte demonstrační experimenty; vysvětlit výsledky pozorovaných jevů.
úkoly: Sledovat historickou zkušenost lidstva při využívání a aplikaci tohoto fenoménu; zjistit podstatu jevu tření, zákony tření; provádět pokusy potvrzující zákonitosti a závislosti třecí síly; promyslet a vytvořit demonstrační pokusy dokazující závislost třecí síly na síle normálového tlaku, na vlastnostech dotykových ploch, na rychlosti relativního pohybu těles.
K dosažení těchto cílů pracoval tento projekt v následujících oblastech:
1) Výzkum veřejného mínění;
2) Studium teorie tření;
3) Experiment;
4) Design.
Naléhavost problému. Fenomén tření je v našem životě velmi častý. Ke všem pohybům těles, která jsou ve vzájemném kontaktu, dochází vždy s třením. Síla tření vždy ovlivňuje ve větší či menší míře charakter pohybu.
Hypotéza. Třecí síla je užitečná, závisí na druhu třecích ploch a přítlačné síle.
Praktický význam spočívá v uplatnění závislosti třecí síly na reakční síle podpěry, na vlastnostech dotykových ploch, na rychlosti pohybu v přírodě. I s tím je potřeba počítat v technice a v běžném životě.
Vědecký zájem spočívá v tom, že v procesu studia této problematiky byly získány některé informace o praktické aplikaci fenoménu tření.
2. Výzkum veřejného mínění.
cíle: ukázat, jakou roli hraje fenomén tření nebo jeho absence v našem životě; odpovězte na otázku: Co víme o tomto fenoménu?
Studovala se přísloví a rčení, ve kterých se projevuje třecí síla klidu, valení, klouzání, byla studována lidská zkušenost při aplikaci tření, způsoby boje proti tření.
Přísloví a rčení:
Nebude sníh, nebude ani stopy.
Na hoře bude klidný vozík.
Těžko plavat proti vodě.
Milujete jízdu, milujete nošení saní.
Trpělivost a práce vše rozemele.
Z toho vozík zpíval, že už dávno nejedl dehet.
A čmárá a koulí a tahá a koulí. A to vše s jazykem.
Lže, že šije hedvábím.
Vezměte minci a otřete ji o drsný povrch. Zřetelně pocítíme odpor – to je síla tření. Pokud budete třít rychleji, mince se začne zahřívat, což nám připomene, že teplo se uvolňuje při tření - skutečnost známá člověku z doby kamenné, protože právě tímto způsobem se lidé poprvé naučili rozdělávat oheň.
Tření nám umožňuje chodit, sedět, pracovat beze strachu, že knihy a sešity spadnou ze stolu, že stůl bude klouzat, až narazí na roh, a pero nám vyklouzne z prstů.
Tření přispívá ke stabilitě. Tesaři vyrovnají podlahu tak, aby stoly a židle zůstaly tam, kde jsou.
Trocha tření na ledu se však dá úspěšně technicky využít. Dokladem toho jsou tzv. ledové cesty, které byly upraveny pro odvoz dříví z místa kácení do železnice nebo do fúzních bodů. Na takové cestě, která má hladké ledové kolejnice, táhnou dva koně saně naložené 70 tunami klád.
Tření není pouze brzdou pohybu. To je také hlavní důvod opotřebení technických zařízení, problému, kterému čelil i člověk na samém úsvitu civilizace. Při vykopávkách jednoho z nejstarších sumerských měst - Uruku - byly nalezeny zbytky masivních dřevěných kol, které jsou staré 4,5 tisíce let. Kola jsou poseta měděnými hřebíky pro zjevný účel ochrany vozového vlaku před opotřebením.
A v naší době je boj proti opotřebení technických zařízení tím nejdůležitějším strojírenským problémem, jehož úspěšné řešení by ušetřilo desítky milionů tun oceli, neželezných kovů a drasticky snížilo výrobu mnoha strojů a náhradních dílů. pro ně.
Již ve starověku měli inženýři k dispozici takové zásadní prostředky pro snížení tření v samotných mechanismech, jako vyměnitelné kovové kluzné ložisko mazané tukem nebo olivovým olejem a dokonce i valivé ložisko.
První ložiska na světě jsou poutka na opasek, která podpírají nápravy předpotopních sumerských vozíků.
Ložiska s vyměnitelnými kovovými vložkami byla dobře známá Starověké Řecko kde se používaly v branách studní a mlýnech.
Tření samozřejmě hraje v našem životě pozitivní roli, ale je pro nás také nebezpečné, zejména v zimě, v období ledu.
3. Co je to tření (trochu teorie)
cíle:studovat povahu třecích sil; prozkoumat faktory, na kterých závisí tření; zvažte druhy tření.
Třecí síla
Pokusíme-li se skříň přesunout, hned uvidíme, že to není tak jednoduché. Jeho pohybu bude bránit souhra nohou s podlahou, na které stojí. Existují 3 typy tření: statické tření, kluzné tření, valivé tření. Chceme zjistit, jak se tyto druhy od sebe liší a co mají společného?
3.1. Tření odpočinku
Chcete-li zjistit podstatu tohoto jevu, můžete provést jednoduchý experiment. Blok položíme na nakloněnou desku. Pokud úhel sklonu desky není příliš velký, může lišta zůstat na místě. Co zabrání sklouznutí dolů? Tření odpočinku.
Přitiskněme ruku k notebooku ležícímu na stole a pohneme s ním. Notebook se bude pohybovat vzhledem ke stolu, ale bude spočívat ve vztahu k naší dlani. Jak jsme tento notebook posunuli? Pomocí tření zbytku notebooku o ruku. Statické tření posouvá břemena na pohyblivém dopravním pásu, zabraňuje rozvazování tkaniček bot, udržuje hřebíky zaražené do prkna atd.
Statická třecí síla může být různá. Roste spolu se silou, která se snaží přesunout tělo z jeho místa. Ale pro jakákoli dvě tělesa, která jsou v kontaktu, má určitou maximální hodnotu, která nemůže být větší než. Například pro dřevěný blok na dřevěné desce je maximální statická třecí síla přibližně 0,6 jeho hmotnosti. Působením síly na těleso, která přesahuje maximální statickou třecí sílu, těleso pohneme z místa a ono se začne pohybovat. Statické tření pak bude nahrazeno třením kluzným.
3.2. Kluzné tření
Co způsobuje postupné zastavení saní, které se kutálí z hory? v důsledku kluzného tření. Proč se puk klouzající po ledu zpomaluje? Kvůli kluznému tření vždy směrováno ve směru opačném ke směru pohybu tělesa. Příčiny třecí síly:
1) Drsnost povrchů kontaktních těles. Dokonce i ty povrchy, které vypadají hladce, mají ve skutečnosti vždy mikroskopické nepravidelnosti (výčnělky, prohlubně). Když jedno tělo klouže po povrchu druhého, tyto nepravidelnosti se do sebe zachytí a tím narušují pohyb;
2) mezimolekulární přitažlivost působící v místech dotyku třecích těles. Mezi molekulami látky je přitažlivost na velmi malé vzdálenosti. Molekulární přitažlivost se projevuje v těch případech, kdy jsou povrchy kontaktních těles dobře vyleštěné. Takže například při relativním klouzání dvou kovů s velmi čistými a rovnými povrchy, zpracovanými ve vakuu pomocí speciální technologie, je třecí síla mnohem silnější než třecí síla mezi dřevěnými bloky navzájem a další klouzání je nemožné. .
3.3. valivé tření
Pokud těleso po povrchu jiného tělesa neklouže, ale jako kolo nebo válec se odvaluje, pak se tření, ke kterému dochází v místě jejich dotyku, nazývá valivé tření. Odvalovací kolo je poněkud zatlačeno do vozovky, a proto je před ním vždy malý hrbolek, který je třeba překonat. Je to právě skutečnost, že odvalovací kolo musí neustále najíždět do tuberkulu, který se objevuje vpředu, a dochází k valivému tření. Zároveň platí, že čím tvrdší vozovka, tím menší valivé tření. Při stejném zatížení je valivá třecí síla mnohem menší než kluzná třecí síla (toho bylo zaznamenáno již ve starověku). Nohy těžkých předmětů, jako jsou postele, klavíry atd., jsou tedy opatřeny válečky. Ve strojírenství se pro snížení tření ve strojích široce používají valivá ložiska, jinak nazývaná kuličková a válečková ložiska.
Tyto typy tření se označují jako suché tření. Víme, proč kniha nespadne přes stůl. Co jí ale brání uklouznout, pokud je stůl mírně nakloněn? Naší odpovědí je tření! Pokusíme se vysvětlit podstatu třecí síly.
Na první pohled je velmi jednoduché vysvětlit původ třecí síly. Ostatně povrch stolu i přebal knihy jsou drsné. Je cítit na dotek a pod mikroskopem je jasné, že povrch pevné tělo ze všeho nejvíc připomíná hornatou zemi. Nespočet výstupků se k sobě lepí, trochu se deformují a zabraňují klouzání knihy. Statická třecí síla je tedy způsobena stejnými silami molekulární interakce jako běžná elasticita.
Pokud zvýšíme sklon stolu, kniha začne klouzat. Je zřejmé, že ve stejnou dobu začíná „odštípnutí“ tuberkulóz, mezera molekulární vazby nedokáže odolat zvýšené zátěži. Třecí síla stále působí, ale bude to již kluzná třecí síla. Není těžké odhalit "štěpení" tuberkul. Výsledkem tohoto „odštípnutí“ je opotřebení třecích částí.
Zdálo by se, že čím pečlivěji jsou povrchy leštěny, tím menší by měla být třecí síla. Do jisté míry tomu tak je. Broušení snižuje například třecí sílu mezi dvěma ocelovými tyčemi. Ale ne neomezené! Třecí síla se náhle začne zvyšovat s dalším zvýšením hladkosti povrchu. To je nečekané, ale pochopitelné.
Jak jsou povrchy vyhlazeny, přiléhají stále blíže k sobě.
Dokud však výška nepravidelností přesahuje několik molekulárních poloměrů, neexistují žádné interakční síly mezi molekulami sousedních povrchů. Přeci jen jde o síly velmi krátkého dosahu. Při dosažení určité dokonalosti broušení se povrchy přiblíží natolik, že do hry vstoupí kohezní síly molekul. Začnou bránit tomu, aby se tyče vzájemně pohybovaly, což zajišťuje statickou třecí sílu. Když hladké tyče klouzají, molekulární vazby mezi jejich povrchy se roztrhají, stejně jako se na drsných površích ničí vazby v samotných tuberkulách. Rozbití molekulárních vazeb je hlavním rozdílem mezi třecími silami a elastickými silami. Při vzniku elastických sil k takovým nespojitostem nedochází. Z tohoto důvodu závisí třecí síly na rychlosti.
Populární knihy a sci-fi příběhy často vykreslují obraz světa bez třenic. Takže můžete velmi jasně ukázat jak výhody, tak poškození tření. Nesmíme ale zapomínat, že tření je založeno na elektrických silách interakce molekul. Zničení tření by ve skutečnosti znamenalo zničení elektrických sil a následně nevyhnutelný úplný rozpad hmoty.
Poznatky o povaze tření k nám ale nepřišly samy od sebe. Tomu předcházel velký výzkumná práce experimentální vědci po několik století. Ne všechny znalosti se zakořenily snadno a jednoduše, mnohé vyžadovaly vícenásobná experimentální ověření a důkazy. Nejbystřejší mozky posledních staletí studovali závislost modulu třecí síly na mnoha faktorech: na ploše kontaktu mezi povrchy, na typu materiálu, na zatížení, na nerovnostech a drsnosti povrchu, na relativní rychlosti těla. Jména těchto vědců: Leonardo da Vinci, Amonton, Leonard Euler, Charles Coulomb - to jsou nejznámější jména, ale byli tam i obyčejní pracovníci vědy. Všichni vědci, kteří se účastnili těchto studií, uspořádali experimenty, ve kterých se pracovalo na překonání síly tření.
3.4. Odkaz na historii
Bylo to 1500 . Velký italský umělec, sochař a vědec Leonardo da Vinci prováděl podivné experimenty, které překvapily jeho studenty.
Vlekl po podlaze, nyní pevně zkroucené lano, pak stejné lano v celé délce. Zajímala ho odpověď na otázku: závisí síla kluzného tření na velikosti plochy těles v kontaktu v pohybu? Tehdejší mechanici byli hluboce přesvědčeni, že co více oblasti dotyku, tím větší je třecí síla. Uvažovali asi takto: čím více takových bodů, tím větší síla. Je zcela zřejmé, že na větší ploše bude takových bodů kontaktu více, takže třecí síla by měla záviset na ploše třecích těles.
Leonardo da Vinci pochyboval a začal provádět experimenty. A dostal jsem ohromující závěr: síla kluzného tření nezávisí na ploše těl v kontaktu. Cestou Leonardo da Vinci studoval závislost třecí síly na materiálu, ze kterého jsou tělesa vyrobena, na velikosti zatížení těchto těles, na rychlosti skluzu a na míře hladkosti či drsnosti jejich povrchu. Získal následující výsledky:
1. Nezáleží na oblasti.
2. Nezávisí na materiálu.
3. Záleží na velikosti zatížení (v poměru k němu).
4. Nezávisí na rychlosti posuvu.
5. Závisí na drsnosti povrchu.
1699 . Francouzský vědec Amonton v důsledku svých experimentů takto odpověděl na stejných pět otázek. Pro první tři - stejné, pro čtvrté - záleží. Na pátém - nezávisí. Ukázalo se a Amonton potvrdil takový neočekávaný závěr Leonarda da Vinciho o nezávislosti třecí síly na oblasti těl v kontaktu. Ale zároveň s ním nesouhlasil, že síla tření nezávisí na rychlosti klouzání; domníval se, že kluzná třecí síla závisí na rychlosti, ale nesouhlasil s tím, že třecí síla závisí na drsnosti povrchu.
Během osmnáctého a devatenáctého století existovalo na toto téma až třicet studií. Jejich autoři se shodli na jediném – třecí síla je úměrná síle normálového tlaku působícího na tělesa, která jsou v kontaktu. V ostatních otázkách k dohodě nedošlo. Experimentální fakt nadále zmátl i ty nejvýznamnější vědce: třecí síla nezávisí na ploše třecích těles.
1748 . Aktivní člen Ruská akademie Leonhard Euler zveřejnil své odpovědi na pět otázek o tření. Pro první tři - stejné jako předchozí, ale ve čtvrtém souhlasil s Amontonem a v pátém - s Leonardem da Vincim.
1779 . V souvislosti se zaváděním strojů a mechanismů do výroby je naléhavá potřeba hlubšího studia zákonů tření. Vynikající francouzský fyzik Coulomb se chopil řešení problému tření a věnoval tomu dva roky. Založil experimenty v loděnici v jednom z francouzských přístavů. Tam našel ty praktické výrobní podmínky, ve kterých hrála třecí síla velmi důležitá role. Coulomb odpověděl na všechny otázky - ano. Celková třecí síla do jisté míry stále závisí na velikosti povrchu třecích těles, je přímo úměrná normálové tlakové síle, závisí na materiálu dotykových těles, závisí na rychlosti posuvu a na stupni hladkosti třecích ploch. V budoucnu se vědci začali zajímat o otázku účinku mazání a byly identifikovány typy tření: tekuté, čisté, suché a hraniční.
Správné odpovědi
Síla tření nezávisí na ploše těles ve styku, ale závisí na materiálu těles: čím větší je síla normálního tlaku, tím větší je síla tření. Přesná měření ukazují, že modul kluzné třecí síly závisí na modulu relativní rychlosti.
Třecí síla závisí na kvalitě opracování třecích ploch a v důsledku toho na zvýšení třecí síly. Pokud jsou povrchy těles, která jsou v kontaktu, pečlivě leštěny, pak se počet bodů kontaktu se stejnou silou normálního tlaku zvyšuje a v důsledku toho se zvyšuje i třecí síla. Tření je spojeno s překonáním molekulárních vazeb mezi kontaktními tělesy.
3.5 Koeficient tření
Síla tření závisí na síle, která dané těleso přitlačí k povrchu jiného tělesa, tedy na síle normálového tlaku. N a na kvalitě třecích ploch.
V experimentu s tribometrem je síla normálního tlaku hmotnost tyče. Změřme sílu normálového tlaku, rovnající se váze misky se závažími v okamžiku rovnoměrného klouzání tyče. Zdvojnásobme nyní sílu normálního tlaku umístěním závaží na tyč. Položením dalších závaží na šálek opět zajistíme rovnoměrný pohyb tyče.
Síla tření se pak zdvojnásobí. Na základě takových pokusů bylo zjištěno, že při nezměněném materiálu a stavu třecích ploch je síla jejich tření přímo úměrná síle normálového tlaku, tzn.
Hodnota charakterizující závislost třecí síly na materiálu a kvalitě zpracování třecích ploch se nazývá koeficient tření. Koeficient tření se měří abstraktním číslem, které ukazuje, jaká část síly normálního tlaku je silou tření
μ závisí na řadě důvodů. Zkušenosti ukazují, že tření mezi tělesy téže látky je obecně větší než mezi tělesy z různých látek. Koeficient tření oceli o ocel je tedy větší než koeficient tření oceli o měď. To se vysvětluje přítomností molekulárních interakčních sil, které jsou mnohem větší pro homogenní molekuly než pro heterogenní.
Ovlivňuje tření a kvalitu zpracování třecích ploch.
Při rozdílné kvalitě opracování těchto povrchů pak také nejsou rozměry drsnosti na třecích plochách stejné, čím silnější je adheze těchto drsností, tedy větší tření μ. Proto stejnému materiálu a kvalitě zpracování obou třecích ploch odpovídá největší hodnota font-size: 14,0pt; line-height: 115%"> interakční síly. Pokud je v předchozím vzorci pod F tr znamenalo sílu kluzného tření, pak μ bude označovat koeficient kluzného tření, jestliže FTP nahradit největší hodnotou statické třecí síly F max ., pak μ bude označovat koeficient statického tření
Nyní zkontrolujeme, zda třecí síla závisí na oblasti kontaktu třecích ploch. K tomu nasadíme 2 stejné tyče na lyžiny tribometru a změříme třecí sílu mezi skluznicemi a "dvojitou" lištou. Poté je nasadíme na vodicí lišty samostatně, do sebe zapadnou a znovu změříme třecí sílu. Ukazuje se, že i přes zvětšení plochy třecích ploch ve druhém případě zůstává třecí síla stejná. Z toho vyplývá, že třecí síla nezávisí na velikosti třecích ploch. Takový na první pohled podivný výsledek experimentu je vysvětlen velmi jednoduše. Zvětšením plochy třecích ploch jsme tak zvýšili počet nerovností, které do sebe na povrchu těles zabírají, ale zároveň jsme snížili sílu, kterou jsou tyto nerovnosti přitlačovány k sobě, protože jsme rozložili hmotnost tyčí na velké ploše.
Zkušenosti ukazují, že síla tření závisí na rychlosti pohybu. Při nízkých rychlostech však lze tuto závislost zanedbat. Zatímco rychlost pohybu je nízká, třecí síla se zvyšuje s rostoucí rychlostí. Pro vysoké rychlosti je pozorován inverzní vztah: s rostoucí rychlostí třecí síla klesá. Je třeba poznamenat, že všechny stanovené vztahy pro třecí sílu jsou přibližné.
Třecí síla se výrazně mění v závislosti na stavu třecích ploch. Zvláště silně klesá v přítomnosti kapalné vrstvy, jako je olej, mezi třecími plochami (mazání). Mazání je široce používáno ve strojírenství ke snížení sil škodlivého tření.
3.6. Role třecích sil
V technologii a Každodenní život třecí síly hrají obrovskou roli. V některých případech jsou třecí síly prospěšné, v jiných naopak škodlivé. Síla tření drží zatlučené hřebíky, šrouby, matice; drží nitě ve hmotě, uvázané uzly atd. Bez tření by nebylo možné ušít oblečení, sestavit tkalcovský stav, složit krabici.
Tření zvyšuje pevnost konstrukcí; bez tření nelze provádět ani pokládání stěn budovy, ani upevnění telegrafních sloupů, ani upevnění částí strojů a konstrukcí šrouby, hřebíky, šrouby. Bez tření by se rostliny nemohly udržet v půdě. Přítomnost statického tření umožňuje člověku pohybovat se po povrchu Země. Při chůzi člověk tlačí Zemi zpět od sebe a Země tlačí člověka vpřed stejnou silou. Síla, která pohání člověka vpřed, se rovná statické třecí síle mezi chodidlem chodidla a Zemí.
Čím více člověk tlačí Zemi zpět, tím větší je statická třecí síla působící na nohu a tím rychleji se člověk pohybuje.
Když člověk odtlačí Zemi silou větší, než je konečná statická třecí síla, noha klouže dozadu, což ztěžuje chůzi. Pamatujte, jak těžké je jít dál náledí. Pro usnadnění chůze je nutné zvýšit statické tření. Za tímto účelem je kluzký povrch posypán pískem. To platí i pro pohyb elektrické lokomotivy, automobilu. Kola připojená k motoru se nazývají hnací kola.
Když hnací kolo silou generovanou motorem tlačí kolejnici zpět, pak síla rovná statickému tření a působící na nápravu kola pohne elektrickou lokomotivu nebo vůz dopředu. Takže tření mezi hnacím kolem a kolejnicí nebo zemí je užitečné. Pokud je malý, kolo prokluzuje a elektrická lokomotiva nebo vůz stojí. Škodlivé je například tření mezi pohyblivými částmi běžícího stroje. Pro zvýšení tření posypte kolejnice pískem. Je velmi obtížné chodit a pohybovat se v autech v ledových podmínkách, protože statické tření je velmi malé. V těchto případech se chodníky sypou pískem a na kola aut se dávají řetězy, aby se zvýšilo klidové tření.
Síla tření se také používá k udržení těles v klidu nebo k jejich zastavení, pokud se pohybují. Otáčení kol je zastaveno pomocí brzdových destiček, které jsou tak či onak přitlačeny k ráfku kola. Nejběžnější jsou vzduchové brzdy, u kterých je brzdová destička přitlačována ke kolu pomocí stlačeného vzduchu.
Podívejme se podrobněji na pohyb koně táhnoucího saně. Kůň položí nohy a napne svaly tak, že při absenci klidového tření by nohy klouzaly dozadu. V tomto případě vznikají síly statického tření směřující dopředu. Na saních, které kůň silou táhne dopředu přes stopy , kluzná třecí síla působící od země dozadu. Aby kůň a saně získaly zrychlení, je nutné, aby třecí síla kopyt koně na povrchu vozovky byla větší než třecí síla působící na saně. Bez ohledu na to, jak velký je koeficient tření podkov o zem, nemůže být statická třecí síla větší než síla, která měla způsobit skluz kopyt, tedy síla svalů koně. Proto i když nohy koně nekloužou, přesto někdy nemůže pohnout těžkými saněmi. Při pohybu (když klouzání začalo) třecí síla poněkud klesá; proto často stačí jen pomoci koni posunout saně z místa, aby je později unesl.
4. Experimentální výsledky
Cílová:zjistěte závislost kluzné třecí síly na následujících faktorech:
Ze zátěže;
Z oblasti kontaktu třecích ploch;
Z třecích materiálů (se suchým povrchem).
Vybavení: laboratorní dynamometr se silou pružiny 40 N/m; kruhový demonstrační dynamometr (limit - 12N); dřevěné tyče - 2 kusy; soubor nákladu; dřevěná deska; kus plechu; plochá litinová tyč; led; pryž.
Experimentální výsledky
1. Závislost kluzné třecí síly na zatížení.
m, (g) | 1120 |
||
FTP(H) |
2. Závislost třecí síly na kontaktní ploše třecích ploch.
S (cm2) | |||
FTP(H) | 0,35 | 0,35 | 0,37 |
3. Závislost třecí síly na velikosti nerovností třecích ploch: dřevo na dřevě (různé způsoby povrchové úpravy).
1 lakovaný | 2 dřevěné | 3 tkáně |
|
0,9 N | 1, 4N |
Při studiu třecí síly z materiálů třecích ploch používáme jednu tyč o hmotnosti 120 g a různých styčných plochách. Použijeme vzorec:
Vypočítali jsme koeficienty kluzného tření pro následující materiály:
č. p / p | Odírací materiály (suché povrchy) | Koeficient tření (při pohybu) |
Dřevo od dřeva (průměr) | 0,28 |
|
Dřevo na dřevě (podél vláken) | 0,07 |
|
dřevo na kov | 0,39 |
|
dřevo na litinu | 0,47 |
|
strom na ledě | 0,033 |
5. Projekční práce a závěry
cíle:vytvářet demonstrační experimenty; vysvětlit výsledky pozorovaných jevů.
Třecí experimenty
Po prostudování literatury jsme vybrali několik experimentů, které jsme se rozhodli provést sami. Pokusy jsme promysleli a pokusili se vysvětlit výsledky našich experimentů. Jako přístroje a nástroje jsme si vzali: dřevěné pravítko, nože, brusný papír, brusný kotouč.
Zkušenost #1
Válcová krabice o průměru 20 cm a výšce 7 cm je naplněna pískem. Lehká figurka s nákladem na nohou je pohřbena v písku a na její povrch je umístěna kovová koule. Když se krabicí zatřese, figurka vyčnívá z písku a míč se do ní ponoří. Při třepání písku se třecí síly mezi zrnky písku oslabují, stává se pohyblivým a získává vlastnosti kapaliny. Těžká tělesa se proto „topí“ v písku a lehká „plavou“.
Zkušenost№ 2 Špička nožů v dílnách. Povrchová úprava dílů brusným papírem. Tyto jevy jsou založeny na štěpení zářezů mezi kontaktními plochami.
Zkušenost #3Při opakovaném neohýbání a ohýbání drátu se místo ohybu zahřívá. Je to způsobeno třením mezi jednotlivými vrstvami kovu.
Také při tření mince o vodorovnou plochu se mince zahřívá.
Mnohé jevy lze vysvětlit výsledky těchto experimentů.
Například případ v dílnách. Při práci u stroje jsem měl mezi třecími plochami pohyblivých částí stroje kouř. To je způsobeno jevem tření mezi kontaktními povrchy. Aby se tomuto jevu zabránilo, bylo nutné promazat třecí plochy a tím snížit třecí sílu.
6. Závěr
Zjistili jsme, že člověk již dlouho využívá empiricky získané poznatky o fenoménu tření. Počínaje XV - XVI století se poznatky o tomto jevu stávají vědeckými: provádějí se experimenty s cílem určit závislost třecí síly na mnoha faktorech, objasňují se zákonitosti.
Nyní přesně víme, na čem třecí síla závisí a co ji neovlivňuje. Přesněji řečeno, třecí síla závisí na: zatížení nebo hmotnosti těla; z druhu kontaktních povrchů; na rychlosti relativního pohybu těles; na velikosti nerovných nebo drsných povrchů. Nezávisí to však na oblasti kontaktu.
Nyní můžeme všechny zákonitosti pozorované v praxi vysvětlit strukturou hmoty, silou interakce mezi molekulami.
Provedli jsme řadu experimentů, provedli jsme přibližně stejné experimenty jako vědci a získali jsme přibližně stejné výsledky. Ukázalo se, že experimentálně jsme potvrdili všechna námi vyslovená tvrzení.
Vytvořili jsme řadu experimentů, které pomohou pochopit a vysvětlit některá „obtížná“ pozorování.
Ale co je možná nejdůležitější, uvědomili jsme si, jak skvělé je získat znalosti sami a pak je sdílet s ostatními.
Seznam použité literatury.
1. Základní učebnice fyziky: Studijní příručka. V 15 hodin / Ed. . T.1 Mechanika. Molekulární fyzika. M.: Nauka, 1985.
2., Lepra mechaniky a techniky: Kniha. pro studenty. – M.: Osvícení, 1993.
3. Bytko, část 1 a 2. Mechanika. Molekulární fyzika a teplo. M.: postgraduální škola, 1972.
4. Encyklopedie pro děti. Svazek 16. 1 Biografie fyziky. Cesta do hlubin hmoty. Mechanický obraz světa / Kapitola. Ed. . - M.: Avanta +, 2000
· http://demo. Domov. listopad. en / oblíbené . htm
· http://gannalv. *****/tr/
· http://ru. wikipedie. org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5
· http://class-physics. *****/7_tren. htm
· http://www. *****/component/option, com_frontpage/Itemid,1/