Síla tření existuje. Co je to třecí síla, vzorce
Rozlišujte tření externí a vnitřní.
Vnější tření vzniká vzájemným pohybem dvou dotykových pevných těles (kluzné tření nebo statické tření).vnitřní tření pozorované při relativním pohybu částí stejného pevného tělesa (například kapaliny nebo plynu).
Rozlišovat suchý a tekuté (resp viskózní) tření.
Suché tření dochází mezi povrchy pevných látek při absenci mazání.
Kapalina(viskózní) je tření mezi pevným tělesem a kapalným nebo plynným prostředím nebo jeho vrstvami.Suché tření se zase dělí na tření uklouznutí a tření válcování.
Uvažujme zákony suchého tření (obr. 4.5).
Rýže. 4.5 |
Rýže. 4.6 |
Působíme na těleso ležící na pevné rovině vnější silou a postupně zvyšujeme jeho modul. Zpočátku zůstane tyč nehybná, což znamená, že vnější síla je vyvážena nějakou silou , směřující tangenciálně k třecí ploše, opačně k síle . V tomto případě existuje statická třecí síla.
Bylo zjištěno, že maximální statická třecí síla nezávisí na kontaktní ploše těles a je přibližně úměrná modulu normální tlaková síla N:
μ 0 – koeficient statického tření v závislosti na povaze a stavu třecích ploch.
Když modul vnější síly, a tím i modul statické třecí síly, překročí hodnotu F 0, těleso začne klouzat po tření podpěra - opěrka F tr.pok bude nahrazeno kluzným třením F sk (obr. 4.6):
F tr \u003d μ N, | (4.4.1) |
Kde μ je koeficient kluzného tření.
Valivé tření vzniká mezi kulovým tělesem a povrchem, po kterém se odvaluje. Valivá třecí síla se řídí stejnými zákony jako kluzná třecí síla, ale koeficient tření μ; zde mnohem méně.
Podívejme se blíže na sílu kluzného tření na nakloněné rovině (obr. 4.7).
Na těleso umístěné na nakloněné rovině se suchým třením působí tři síly: gravitace, normální reakční síla podpory a síla suchého tření. Síla je výslednicí sil a; směřuje dolů, podél nakloněné roviny. Z Obr. 4.7 to ukazuje
F=mg sinα, N=mg cos a. |
Rýže. 4.7 |
F tr = μ N = mg cosα,
F=mg sinα.
Pro α > α max se tělo bude kutálet dolů se zrychlením
a = g(sinα - μ cosα),
F sk = ma = F-F tr.
Pokud je výkon navíc F ext, směřující podél nakloněné roviny, působí na těleso, pak kritický úhel α max a zrychlení tělesa budou záviset na velikosti a směru této vnější síly.
Pokud se pokusíte přestěhovat těžkou skříň plnou věcí, nějak se okamžitě ukáže, že všechno není tak jednoduché a něco zjevně překáží dobrému skutku dát věci do pořádku.
- A provozu nebude bránit nic jiného než třecí práce, který se studuje v kurzu fyziky sedmého ročníku.
S třením se setkáváme na každém kroku. V přeneseném slova smyslu. Správnější by bylo říci, že bez tření nemůžeme udělat ani krok, protože jsou to síly tření, které drží naše nohy na povrchu.
Každý z nás ví, jaké to je chodit po velmi kluzkém povrchu – na ledu, lze-li tento proces vůbec nazvat chůzí. To znamená, že okamžitě vidíme zjevné výhody třecí síly. Než však budeme mluvit o výhodách nebo škodách třecích sil, uvažujme nejprve, co je třecí síla ve fyzice.
Třecí síla ve fyzice a její druhy
Vzájemné působení, ke kterému dochází v místě dotyku dvou těles a brání jejich vzájemnému pohybu, se nazývá tření. A síla, která tuto interakci charakterizuje, se nazývá třecí síla.
- Existují tři typy tření: kluzné tření, statické tření a valivé tření.
Tření odpočinku
V našem případě, když jsme se snažili skříní posunout, funěli jsme, tlačili, zčervenali, ale neposunuli jsme skříň ani o píď. Co drží skříň na místě? Síla statického tření. Nyní další příklad: položíme-li ruku na notebook a pohybujeme s ním po stole, pak se notebook bude pohybovat spolu s naší rukou, kterou držíme stejnou statickou třecí silou.
Tření odpočinku drží hřebíky zaražené do zdi, zabraňuje samovolnému rozvazování tkaniček a také drží naši skříň na místě, abychom, když se o ni omylem opřeme ramenem, nerozdrtili naši milovanou kočku, která si najednou lehla, aby si v klidu zdřímla a ticho mezi skříní a zdí.
Kluzné tření
Vraťme se k naší notoricky známé skříni. Nakonec jsme si uvědomili, že to sami nepřemístíme a zavolali na pomoc souseda. Nakonec jsme poškrábali celou podlahu, zpotili se, vyděsili kočku, ale aniž bychom vyložili věci ze skříně, přesunuli jsme ji do jiného rohu.
Co jsme našli, kromě oblaků prachu a kusu zdi nepolepeného tapetou? Že když jsme působili silou přesahující statickou třecí sílu, skříň se nejen pohnula, ale (samozřejmě s naší pomocí) pokračovala dál, na místo, které jsme potřebovali. A úsilí, které bylo třeba vynaložit na jeho pohyb, bylo po celou cestu přibližně stejné.
- V tomto případě jsme byli vyrušeni posuvná třecí síla. Síla kluzného tření, stejně jako síla statického tření, směřuje ve směru opačném k působící síle.
valivé tření
V případě, že těleso po povrchu neklouže, ale odvaluje se, pak se tření, ke kterému dochází v místě dotyku, nazývá valivé tření. Odvalující se kolo je mírně vtlačeno do vozovky a tvoří se před ním malý hrbolek, který je třeba překonat. To způsobuje valivé tření.
Čím tvrdší cesta, tím menší valivé tření. Proto je jízda po dálnici mnohem jednodušší než na písku. Valivé tření je ve většině případů výrazně menší než kluzné tření. Proto se hojně používají kola, ložiska a tak dále.
Důvody vzniku třecích sil
První je drsnost povrchu. Dobře je to pochopitelné na příkladu podlahových prken nebo povrchu Země. V případě hladších povrchů, jako je led nebo střecha pokrytá plechy, je drsnost téměř neviditelná, ale to neznamená, že tam nejsou. Tyto nerovnosti a nerovnosti k sobě přilnou a narušují pohyb.
Druhý důvod- jedná se o mezimolekulární přitažlivost, která působí v místech dotyku třecích těles. Druhý důvod se však objevuje především pouze u velmi dobře naleštěných karoserií. V podstatě máme co do činění s první příčinou třecích sil. A v tomto případě, aby se snížila třecí síla, se často používá mazivo.
- Vrstva maziva, nejčastěji kapaliny, odděluje třecí plochy a vrstvy kapaliny se o sebe třou, přičemž třecí síla je mnohonásobně menší.
Složení na téma "Síla tření"
V kurzu fyziky pro sedmou třídu se zadávají školáci úkol napsat esej na téma "Síla tření." Příkladem eseje na toto téma je něco jako tato fantasy:
„Řekněme, že jsme se rozhodli jet na prázdniny k babičce vlakem. A neuvědomují si, že právě v té době náhle, bez zjevného důvodu, zmizela třecí síla. Probudili jsme se, vstali z postele a spadli, protože mezi podlahou a nohama není žádná třecí síla.
Začínáme se obouvat a nemůžeme si zavázat tkaničky, které kvůli nedostatku tření nedrží. Schody jsou celkově těsné, výtah nefunguje - dlouho leží ve sklepě. Když jsme s kostrčí spočítali úplně všechny kroky a nějak se doplazili na zastávku, zjišťujeme nové neštěstí: na zastávce nezastavil ani jeden autobus.
Jako zázrakem jsme nastoupili do vlaku, myslíme si, jaká krása - je to tu dobré, spotřebuje se méně paliva, protože ztráty třením jsou sníženy na nulu, dostaneme se tam rychleji. Ale tady je problém: mezi koly a kolejnicemi není žádná třecí síla, a proto není od čeho vlak odtlačit! Takže obecně nějak není osudem jít k babičce bez tření."
Výhody a poškození třecí síly
Samozřejmě je to fantazie a je plná lyrických zjednodušení. Život je trochu jiný. Ale ve skutečnosti, navzdory tomu, že existují zjevné nevýhody třecí síly, které nám v životě vytvářejí řadu obtíží, je zřejmé, že bez existence třecích sil by bylo problémů mnohem více. Musíme tedy mluvit jak o nebezpečích třecích sil, tak o výhodách všech stejných třecích sil.
Příklady užitečných stran třecích sil lze nazvat, že můžeme chodit po zemi, že se naše oblečení nerozpadá, protože vlákna v látce jsou držena stejnými třecími silami, jako když nasypeme písek na zledovatělou vozovku, zlepšíme trakci, abychom se vyhnuli nehoda.
dobře a poškození silou tření je problém přemisťování velkých břemen, problém opotřebení třecích ploch a také nemožnost vytvořit stroj s trvalým pohybem, protože kvůli tření se jakýkoli pohyb dříve nebo později zastaví, což vyžaduje neustálý vnější vliv.
Lidé se naučili přizpůsobovat snížit nebo zvýšit třecí sílu, v závislosti na potřebě. Jsou to kola, mazání, ostření a mnoho dalšího. Příkladů je mnoho a je zřejmé, že nelze jednoznačně říci: tření je dobré nebo špatné. Ale existuje a naším úkolem je naučit se ji využívat ve prospěch člověka.
Potřebujete pomoci se studiem?
Předchozí téma: Vztah mezi gravitací a tělesnou hmotností: dynamometr.Další téma:   Tření v přírodě, každodenním životě a technice: ještě více PŘÍKLADY
Témata USE kodifikátor: síly v mechanice, třecí síla, součinitel kluzného tření.
Třecí síla - jedná se o sílu vzájemného působení mezi tělesy, která se dotýkají, která brání pohybu jednoho tělesa vůči druhému. Síla tření je vždy směrována podél povrchů těles, která jsou v kontaktu.
Ve školní fyzice se uvažují dva druhy tření.
1.Suché tření. Vyskytuje se v kontaktní zóně povrchů pevných látek bez přítomnosti kapalné nebo plynné vrstvy mezi nimi.
2.Viskózní tření. Vyskytuje se při pohybu pevné tělo v kapalném nebo plynném médiu, nebo když se jedna vrstva média pohybuje vůči druhé.
Suché a viskózní tření mají jiná povaha a liší se vlastnostmi. Zvažme tyto typy tření samostatně.
Suché tření.
Suché tření může nastat i při absenci relativního pohybu těles. Těžká pohovka tedy zůstává nehybná s nepatrným pokusem posunout ji ze svého místa: naše síla působící na pohovku je kompenzována třecí silou, která vzniká mezi pohovkou a podlahou. Síla tření, která působí mezi povrchy těles v klidu a brání vzniku pohybu, se nazývá statická třecí síla.
Proč se ta statická třecí síla vůbec objevuje? Styčné plochy pohovky a podlahy jsou drsné, jsou posety okem neviditelnými mikroskopickými hrbolky. různé formy a velikosti. Tyto hrbolky se o sebe zachytí a zabraňují pohybu pohovky. Statická třecí síla je tedy způsobena silami elektromagnetického odpuzování molekul, které vznikají při deformaci tuberkul.
S postupným zvyšováním úsilí se pohovka stále nevzdává a stojí na místě - statická třecí síla se zvyšuje spolu s nárůstem vnějšího vlivu, přičemž modul zůstává stejný jako působící síla. To je pochopitelné: deformace tuberkul se zvětšují a síly odpuzování jejich molekul se zvyšují.
Konečně se pohovka při určitém množství vnější síly pohne ze svého místa. Statická třecí síla dosahuje maximální možné hodnoty. Deformace hlíz jsou tak velké, že tuberkulózy nevydrží a začnou kolabovat. Dochází ke skluzu.
Síla tření, která působí mezi kluznými plochami, se nazývá síla kluzného tření. V procesu klouzání se přeruší vazby mezi molekulami v propojených tuberkulách povrchů. Při statickém tření k takovým nespojitostem nedochází.
Vysvětlení suchého tření z hlediska nerovností je maximálně jednoduché a jasné. Skutečné mechanismy tření jsou mnohem složitější a jejich uvažování přesahuje rámec elementární fyziky.
Kluzná třecí síla aplikovaná na těleso ze strany drsného povrchu je směrována opačně k rychlosti tělesa vzhledem k tomuto povrchu. Při změně směru rychlosti se mění i směr třecí síly. Závislost třecí síly na rychlosti je hlavním rozdílem mezi třecí silou a silami pružnosti a tíhy (jejichž velikost závisí pouze na relativní pozice těles, tedy z jejich souřadnic).
V nejjednodušším modelu suchého tření jsou splněny následující zákony. Jsou zobecněním experimentálních faktů a mají přibližný charakter.
1. Maximální hodnota statické třecí síly je rovna kluzné třecí síle.
2. Absolutní hodnota kluzné třecí síly je přímo úměrná reakční síle podpory:
Koeficient úměrnosti se nazývá koeficient tření.
3. Koeficient tření nezávisí na rychlosti tělesa na hrubém povrchu.
4. Koeficient tření nezávisí na ploše styčných ploch.
Tyto zákony stačí k řešení problémů.
Úkol. Blok o hmotnosti kg leží na vodorovném drsném povrchu. Koeficient tření. Na tyč působí horizontální síla. Najděte třecí sílu ve dvou případech: 1) při 2) při .
Rozhodnutí, uděláme nákres, uspořádáme své síly. Značíme třecí sílu (obr. 1).
Rýže. 1. K úkolu |
Pojďme napsat druhý Newtonův zákon:
(1)
Lišta se nepohybuje podél osy, . Promítnutím rovnosti (1) na osu získáme: , odkud .
Maximální hodnota síly statického tření (je to i síla kluzného tření) je rovna
1) Síla je menší než maximální statická třecí síla. Blok zůstává na místě a třecí síla bude statická třecí síla:
2) Síla je větší než maximální statická třecí síla. Blok začne klouzat a třecí síla bude kluzná třecí síla: .
Viskózní tření.
Odporová síla, která vzniká při pohybu tělesa ve viskózním prostředí (kapalině nebo plynu), má zcela jiné vlastnosti.
Za prvé, neexistuje žádná statická třecí síla. Například plovoucí mnohatunovou loď může člověk přesunout z místa pouhým zatažením za lano.
Za druhé, odporová síla závisí na tvaru pohybujícího se tělesa. Trup ponorky, letadla nebo rakety má aerodynamický tvar doutníku pro snížení odporu vzduchu. Naopak, když se polokulové těleso pohybuje konkávní stranou dopředu, je odporová síla velmi velká (příkladem je padák).
Za třetí, absolutní hodnota odporové síly výrazně závisí na rychlosti. Při nízkých rychlostech je odporová síla přímo úměrná rychlosti:
Při vysokých rychlostech je odporová síla přímo úměrná druhé mocnině rychlosti:
Například při pádu ve vzduchu se závislost odporové síly na druhé mocnině rychlosti odehrává již při rychlostech kolem několika metrů za sekundu. Koeficienty a závisí na tvaru a velikosti těla, na fyzikální vlastnosti povrch těla a viskózní médium.
Takže parašutista během dlouhého skoku nezíská neomezenou rychlost, ale od určitého okamžiku začne padat konstantní rychlostí, při které se odporová síla rovná gravitaci:
Proto stálá rychlost:
(2)
Úkol. Dvě kovové koule stejné velikosti a různé hmotnosti padají bez počáteční rychlosti ze stejné velké výšky. Který z míčků spadne na zem rychleji – lehký nebo těžký?
Řešení. Ze vzorce (2) vyplývá, že těžký míč má vyšší ustálenou rychlost pádu. To znamená, že bude trvat déle, než nabere rychlost, a proto se rychleji dostane na zem.
Třecí síla (Ftr.) je síla, která vzniká při kontaktu povrchů dvou těles a brání jejich vzájemnému pohybu. Objevuje se v důsledku elektromagnetických sil vznikajících z atomů a molekul v bodě kontaktu těchto dvou objektů.
K zastavení pohybujícího se předmětu musí síla působit v opačném směru vzhledem ke směru pohybu. Pokud například zatlačíte knihu přes stůl, začne se pohybovat. Síla, kterou jste na knihu působili, s ní pohne. Kniha klouže, následně se vlivem třecí síly zpomalí a zastaví.
Vlastnosti třecích sil
Tření, které bylo zmíněno výše, které se projevuje při pohybu předmětů, se nazývá vnější nebo suché. Může ale existovat i mezi částmi nebo vrstvami jednoho předmětu (kapalného nebo plynného), tento typ se nazývá vnitřní.
Hlavním znakem je závislost tření na rychlosti relativního pohybu těles.
Existují další charakteristické rysy:
- výskyt při kontaktu dvou pohybujících se těles povrchy;
- jeho působení je rovnoběžné s oblastí kontaktu;
- nasměrovaný opačně k vektoru rychlosti těla;
- závisí na kvalitě povrchů (hladké nebo drsné), vzájemně se ovlivňujících objektů;
- tvar nebo velikost předmětu pohybujícího se v plynu nebo kapalině ovlivňuje velikost třecí síly.
Druhy tření
Existuje několik typů. Podívejme se na jejich rozdíly. Kniha klouzající po stole je vystavena kluznému tření.
posuvná třecí síla
Kde N je reakční síla podpory.
Věnujte pozornost některým situacím:
Pokud člověk jede na kole, pak tření, ke kterému dochází při kontaktu kola s vozovkou, je valivé tření. Tento typ síly je mnohem menší než síla kluzného tření.
Valivá třecí síla
Výrazně menší hodnoty tohoto druhu síly využívají lidé používající kola, válečky a kuličková ložiska v různých pohyblivých částech zařízení.
Charles Augustin Coulomb ve své práci o teorii tření navrhl vypočítat sílu valivého tření takto:
,
μ je koeficient tření.
Mazání, nejčastěji ve formě tenké vrstvy kapaliny, snižuje tření.
Kapaliny nebo plyny jsou speciální média, ve kterých se tento typ síly také projevuje. V těchto médiích se tření objevuje pouze při pohybu předmětu. V těchto médiích nelze hovořit o síle statického tření.
Třecí síla v kapalinách a plynech
Tento typ síly se nazývá odporová síla média. Zpomaluje pohyb předmětu. Usměrněnější tvar objektu ovlivňuje velikost odporové síly - je výrazně snížena. Proto se při stavbě lodí používají aerodynamické trupy lodí nebo ponorek.
Odporová síla média závisí na:
- geometrické rozměry a tvar předmětu;
- viskozita kapalného nebo plynného média;
- stav povrchu předmětu;
- rychlost objektu vzhledem k prostředí, ve kterém se nachází.
Existují tři typy třecích sil: kluzné tření, valivé tření a statické tření.
posuvná třecí síla nastává, když se jedno těleso pohybuje po povrchu druhého. Čím větší je hmotnost tělesa a čím větší je koeficient tření mezi těmito plochami (koeficient závisí na materiálu, ze kterého jsou plochy vyrobeny), tím větší je síla kluzného tření.
Síla kluzného tření nezávisí na ploše styčných ploch. Při pohybu bude mít blok ležící na své největší ploše stejnou kluznou třecí sílu, jako kdyby byl umístěn na nejmenší ploše.
Hlavní příčinou kluzné třecí síly je nejmenší nerovnost povrchů dvou těles. Jejich těla se k sobě při pohybu lepí. Pokud by neexistovala kluzná třecí síla, pak by se těleso, uváděné do pohybu krátkodobým působením síly na něj, dále rovnoměrně pohybovalo. Protože však existuje kluzná třecí síla a je namířena proti pohybu tělesa, těleso se postupně zastaví.
Druhým důvodem vzniku kluzné třecí síly jsou mezimolekulární interakce na styčných plochách dvou těles. Tato interakce může nastat pouze na velmi hladkých, dobře leštěných površích. molekul různá těla jsou si velmi blízcí a přitahují se. Z tohoto důvodu je pohyb těla omezen.
Valivá třecí síla nastává, když se po povrchu jednoho tělesa převaluje další, obvykle kulatý. Například kola vozidel se válí po silnici, sud otočený na bok z kopce, koule na podlaze.
Valivá třecí síla je mnohem menší než kluzná třecí síla. Pamatujte, že je snazší nosit velkou tašku na kolečkách, než ji tahat po zemi. Důvod spočívá v odlišném způsobu kontaktu pohybujícího se tělesa s povrchem. Při odvalování kolo jakoby tlačí, drtí povrch pod sebou, odpuzuje se od něj. Odvalovací kolo nemusí zachycovat mnoho drobných nerovností povrchu jako při klouzání těles.
Čím je povrch tvrdší, tím menší je valivá třecí síla. Například jízda na kole na písku je obtížnější než jízda na kole po asfaltu, protože písek musí překonat větší valivé tření. To je způsobeno tím, že se snáze odtlačují z tvrdých povrchů, nejsou silně přitlačeny. Dá se říci, že síla, která působí ze strany kola na pevný povrch, není vynaložena na deformaci, ale téměř celá se vrací v podobě normální reakční síly podpěry.
statická třecí síla nás všude obklopuje. Všechny předměty, které leží na jiných tělesech, jsou drženy statickou třecí silou. Statická třecí síla je dostatečná pro udržení předmětů na nakloněných plochách. Člověk může stát například na stráni, nehybně ležící kvádr na mírně nakloněném pravítku. Kromě toho jsou díky síle statického tření možné takové formy pohybu, jako je chůze a jízda na koni. V těchto případech dochází k "přilnutí" k povrchu v důsledku statické třecí síly, v důsledku čehož je možné se od povrchu odpuzovat.
Příčiny statické třecí síly jsou stejné jako příčiny kluzné třecí síly.
Statická třecí síla vzniká při pokusu o pohyb stojícího tělesa. Dokud je síla, která se snaží pohnout tělesem, menší než statická třecí síla, těleso zůstane na místě. Jakmile tato síla překročí u těchto dvou těles určitou maximální statickou třecí sílu, začne se jedno těleso vůči druhému pohybovat a již na něj bude působit kluzná nebo valivá třecí síla.
Ve většině případů je maximální síla statického tření o něco větší než síla kluzného tření. Chcete-li tedy skříň začít stěhovat, musíte nejprve vyvinout trochu více úsilí, než je aplikovat, když se skříň již stěhuje. Často je rozdíl mezi silami statického tření a kluzného tření zanedbáván, protože jsou považovány za stejné.