Цікаві факти про силу тертя з фізики. Від чого залежить сила тертя? Трення в механізмах та машинах Цікаві факти
Вступ.
З тертям ми стикаємося на кожному кроці. Але, незважаючи на ту велику роль, яку відіграє тертя у нашому житті, досі не створено досить повну картину виникнення тертя. Це навіть не з тим, що тертя має складну природу, а скоріше з тим, що досліди з тертям дуже чутливі до обробки поверхні і тому важко відтворюватися.
Коли говорять про тертя, розрізняють три кілька відмінних фізичних явищ: опір при русі тіла в рідині або газі його називають рідким тертям; опір, що виникає, коли тіло ковзає по якійсь поверхні, - тертя ковзання, або сухе тертя; опір, що виникає під час кочення тіла, – тертя кочення .
Історія виникнення сили тертя
Перше формулювання сили тертя приписується Леонардо да Вінчі. Він стверджував, що сила тертя, що виникає при контакті тіла з поверхнею іншого тіла, пропорційна навантаженню (силі притискання), спрямована проти напрямку руху та не залежить від площі контакту.
Модель Леонардо була перевідкрита через 180 років Г. Амонтоном і отримала остаточне формулювання у роботах Кулона (1781). Амонтон і Кулон ввели поняття коефіцієнта тертя як відношення сили тертя до навантаження, надавши йому значення фізичної константи, що повністю визначає силу тертядля будь-якої пари матеріалів, що контактують. Досі саме ця формула
де P - сила притискання, а Fтр - сила тертя, є єдиною формулою, що фігурує в підручниках з фізики, а значення коефіцієнта тертя fтр для різних матеріалів (сталь по сталі, сталь по бронзі, чавун по шкірі і т.д.) входять до стандартні інженерні довідники та є базою для традиційних технічних розрахунків.
Однак уже в XIX столітті стало ясно, що закон Амонтона-Кулона не дає правильного опису сили тертя, а коефіцієнти тертя не є універсальними характеристиками. Насамперед, було зазначено, що коефіцієнти тертя залежать не тільки від того, які матеріали контактують, а й від того, наскільки гладко оброблені поверхні, що контактують. З'ясувалося також, що сила статичного тертя відрізняється від сили тертя під час руху. Щоб нагадати, що зазвичай розуміється під статичним тертям, представимо схему найпростішого експерименту (рис. 1).
Намагатимемося зрушити з місця тіло, потягнувши за трос із пружинним динамометром. При малому переміщенні кінця троса тіло залишається на місці: сили, що розвивається пружиною динамометра, недостатньо. Зазвичай кажуть, що на поверхнях, що контактують, розвивається сила тертя, що врівноважує прикладену силу. Поступово збільшуємо переміщення та разом з ним пружну силу, прикладену до тіла. У якийсь момент вона виявляється достатньою для того, щоб зрушити тіло з місця. Зареєстроване в цей момент показ динамометра і називають зазвичай силою статичного тертя, що характеризує граничні можливості нерухомого (статичного) зчеплення тіл. Якщо ми продовжуватимемо повільно витягувати трос, то тіло поїде по поверхні. Виявляється, що показання динамометра, що реєструються в ході руху, будуть не такими, як у момент страгування. Зазвичай сила тертя при повільному русі менша за силу страгування, статичного тертя. Кулон вивчав саме силу тертя при повільному взаємному переміщенні тіл, що контактують, і встановив, що ця сила не залежить від величини швидкості, а тільки від напрямку руху (завжди спрямована проти руху.
Кінець XIX століття ознаменувався чудовими досягненнями у дослідженні в'язкості, тобто тертя у рідинах. Напевно, з доісторичних часів відомо, що змащені жиром або навіть змочені поверхні водою поверхні ковзають значно легше. Змащення поверхонь, що труться, застосовувалася з моменту зародження техніки, але тільки О. Рейнольдс в 1886 році дав першу теорію змащення.
За наявності досить товстого шару мастила, що забезпечує відсутність безпосереднього контакту поверхонь, що труться, сила тертя визначається тільки властивостями мастильного шару. Сила статичного торкання дорівнює нулю, і зі зростанням швидкості сила опору руху збільшується. Якщо ж мастила недостатньо, то діють усі три механізми: сила статичного опору стриганню з місця, кулонова сила та сила в'язкого опору.
p align="justify"> Отже, до кінця XIX століття з'ясувалася картина залежності сили тертя від швидкості, представлена графіком (рис. 2, а). Але вже на порозі XX століття виник сумнів у правильності цієї картини за дуже малих швидкостей. У 1902 році Штрибек опублікував дані, що свідчать про те, що за відсутності мастила сила опору не падає відразу з рівня сили торкання до кулонової сили, а виникає поступове падіння сили зі зростанням швидкості - ефект протилежний гідродинамічній в'язкості. Цей факт був багаторазово перевірений ще раз і тепер зазвичай іменується штрибек-ефектом. Картина залежності сили тертя швидкості (рис 2, б.).
техніка XX століття, що швидко розвивалася, вимагала все більшої уваги до дослідження тертя. У 30-ті роки дослідження в галузі тертя стали настільки інтенсивними, що потрібно виділити їх як спеціальну науку - трибологію, що лежить на стику механіки, фізики поверхневих явищ та хімії (створення нових мастильних матеріалів - справа хіміків). Тільки США у цій галузі працюють нині понад 1000 дослідників, й у світовій науці щорічно публікується понад 700 статей.
Сучасна картина тертя.
Щоб зрозуміти хоча б основи трибології, слід, передусім, звернутися до топографії поверхонь частин реальних механізмів, що контактують між собою. Ці поверхні ніколи не є ідеально плоскими, мають мікронерівність. Місця виступів на одній поверхні зовсім не збігаються з місцями виступів на іншій. Як образно висловився один із піонерів трибології, Ф. Боуден, "накладення двох твердих тіл одного на інше подібно до накладання швейцарських Альп на перевернені австрійські Альпи - площа контакту виявляється дуже малою". Однак при стисненні гострі "гірські піки" пластично деформуються, і справжня площа контакту збільшується пропорційно доданого навантаження. Саме опір відносному зсуву цих контактних зон є основним джерелом тертя руху. Сам опір зсуву при ідеальному контакті визначається міжмолекулярною взаємодією, що залежить від природи матеріалів, що контактують.
Отже, пояснюється вплив двох основних чинників: навантаження (сили притискання) і властивостей матеріалів. Однак є дві ускладнюючі обставини. По-перше, металеві поверхні на повітрі швидко покриваються тонкою плівкою оксидів, і фактично контакт здійснюється не між суто металевими поверхнями, а між окисними плівками, що мають нижчий опір зсуву. Проникнення ж будь-якого рідкого або пастоподібного мастила взагалі змінює картину контакту. По-друге, при відносному зрушенні здійснюється не тільки ковзання по контактних майданчиках, а й пружне деформування виступів, піків. Виділимо схематично лише два піку (практично нахил їх схилів порядку 10?-20?, але для наочності вони намальовані на рис. 3 крутіше). При спробі зрушити в горизонтальному напрямку один пік починає прогинати інший, тобто спочатку намагається згладити дорогу, а потім уже ковзати нею. Ширина піків мала (порядку сотих часток міліметра), і в межах таких мікрозміщень головну рольграє саме пружний опір, тобто сила має підкорятися закону Гука, бути пропорційною зміщенню. Інакше кажучи, при мікрозміщення контактуючі поверхні виявляються як би пов'язаними численними пружинками. Але після того як верхній пік під час руху перевалить через нижній (причому обидва вони сплющуються), пружинка рветься аж до зустрічі з новою перешкодою. Таким чином, після докладання поздовжньої сили, що прагне зрушити два тіла, можуть виникнути чотири основні режими: режиму
I пружних мікрозміщень, режим
II ковзання по майданчиках контактів м'якого поверхневого шару (окисних плівок), режим
III, коли при більшій швидкості рідке мастило, що видавлюється, створює підйомну силу, що порушує велику частинупрямих контактів і тим самим знижує силу тертя,
IV, коли прямі контакти взагалі зникають, одне тіло "пливе" над іншим по мастильному шару і зі збільшенням швидкості зростає в'язкий опір.
Не йдеться - тільки їде,
Тому що - ожеледиця,
Зате чудово падається!
Чому ж ніхто не радіє?
Такий наївний дитячий віршик на перший погляд - а як багато він містить, якщо поглянути на нього з фізичного погляду! Адже саме в ньому полягає система суперечливого ставлення до горезвісної сили тертя. Цей постійний бій, де змагаються між собою два поняття - шкода та користь сили тертя, ніколи не матиме переможця. Адже те, що одній людині зручно і вигідно, іншій часто буває навіть навпаки - погано, як у цьому вірші.
Пам'ятаєте розповідь Миколи Носова про крижану гірку, яку будували діти у дворі? А коли вони всі пішли обідати, вийшов той, котрий у будівництві не брав участі. Спробував він забратися на неї, та тільки забився, але забратися так і не зміг. І здогадався малюк посипати лід піском - стало дуже зручно забиратися на саму вершину навіть по льоду! Так, посиливши за допомогою піску між слизьким льодом та підошвою, хлопчик зрозумів, що користь тертя дозволяє долати перешкоди.
Але ось після обіду вийшли дітлахи з льодянками, щоб досхочу накататися на своїй гірці. Ан не тут було: не їдуть санки по піску! Для них ця ситуація повернулася іншою стороною, показавши шкоду тертя.
Подібні випадки ми спостерігаємо взимку, коли хлопчаки розкочують крижані доріжки і мчать з розбігу ними, долаючи відстань за лічені хвилини! А потім шкутильгають люди похилого віку, послизаються на припорошених сніжком накатах і падають, ламаючи руки і ноги. Ось вам знову наочні приклади, де в тому самому випадку сусідять і шкода, і користь сили тертя.
Саме для зменшення сили тертя лижники змащують свої лижі спеціальними мазями, щоб збільшити швидкість руху. Ковзанки, на яких займаються ковзанярі або фігуристи, періодично поливають водою і очищають - теж для зменшення сили тертя. А пішохідні доріжки, навпаки, посипають піском чи золою, щоби ніхто на них не падав. Деякі винахідники-раціоналізатори придумали навіть приклеювати до підошв зимових черевиків та чобіт шматочки наждакового паперу саме з метою збільшення сили тертя.
Те саме відбувається і з колесами машин. Адже не секрет, що з настанням зими, водії «взують» своїх залізних коней у спеціальну «зимову гуму». А інакше без корисної сили тертя збільшується занесення машини при поворотах, вона юзит, і часто водій погано справляється з керуванням. А чим закінчуються аварії, кожен знає й сам.
Щось ми все про зиму, та про лід, та про падіння. А чи є інші моменти в повсякденному житті, де можна побачити, як змагаються між собою шкода і користь сили тертя? Звісно є! Вони всюди. Навіть у нашій з вами кімнаті.
Ось, наприклад, величезний і важкий шифоньєр. Стоїть собі, як укопаний, і не рухається. А якби раптом зникла сила тертя, що могло б статися? А поїхав би цей гігант від найлегшого поштовху по кімнаті! І ще невідомо, чи змогли б ми встигнути ухилитися від неї. Хороша сила тертя, корисна!
Але мама вирішила переставити меблі. І треба пересунути цю горезвісну шафу до іншої стіни. Раз-два, взяли! Три - чотири, напружилися! Тільки все виявляється марним: чим важчий предмет, тим міцніше тримається за нього сила тертя. Жахлива, неприємна сила!
Знову змагаються вони між собою – шкода та користь сили тертя. А не потрібно жодного суперництва! Треба просто добре знати фізичні закони та вміти отримувати з цих знань практичну користь. Отже, слід її зменшити: зробити дотичні поверхні більш гладкими, слизькими. Хтось для цього рекомендує намазати підлогу милом або маслом, хтось підкладає під ніжки важкого предмета мокру ганчірку. І ось уже – раз – два – і готово! Зрушили досить легко таку махину з місця.
Сила тертя завжди супроводжує нам протягом усього життя, так само, як Десь вона створює нам незручність, а десь без неї ніяк не обійтися. Але як би там не було, вона існує, і наше завдання – навчитися користуватися фізичними законамитак, щоб життя наше ставало зручнішим і комфортнішим.
Наука
Європейські вчені надали сучасне пояснення походження тертя ковзання між твердими предметами. Незважаючи на той факт, що тертя – це одне з основних явищ сучасної прикладної фізики, цей феномен не припиняють вивчати вже протягом багатьох століть. Аж до наших днів вважалося, що механічна зносостійкість та наявність (або відсутність) рідкого мастила є одними з основних факторів, що впливають на тертя, проте фундаментальні причини тертя ковзання залишалися невідомими.
Доктор Лейсі Макконен, старший науковий співробітник Технічного дослідницького центру Фінляндії, представив власне пояснення походження тертя ковзання між твердими предметами. Його теорія повністю підтверджує той факт, Що величина тертя залежить також від так званої поверхневої енергії матеріалів, що розглядаються. При цьому тертя чинить значний ефект на багато явищ, з якими ми стикаємося щоразу (такі як, наприклад, поглинання енергії).
Нова термодинамічна модель, створена Макконеном, є першою у своєму роді, яка дає можливість визначити кількісні параметри коефіцієнта тертя матеріалів з урахуванням поверхневої енергії матеріалів. Модель фактично показує, що тертя виникає при дотику матеріалів на нанорозмірному рівні, будучи наслідком формування нових зв'язків на атомному рівні Ця теорія доповнює пояснення походження сили тертя та наявності фрикційного нагрівання при сухому терті. Її також можна застосувати для точного розрахунку коефіцієнтів тертя комбінацій різних матеріалів.
Побудована модель також дає можливість більш точно керувати процесами тертя за допомогою вибору певної поверхні матеріалів або за допомогою мастильних шарів, враховуючи наявність поверхневої енергії між ними. Примітно, що ця теорія підтверджує думки багатьох фізиків про те, що у всіх відомих таблицях з представленими в них коефіцієнтами тертя для різних матеріалів (особливо для однорідних) є помітні неточності.
Чи знаєте ви, що ще геніальний Леонардо да Вінчі в далекому 1500 дуже цікавився тим, від чого залежить сила тертя і що вона собою являє? Дивні досліди, які він проводив, викликали чималий подив у його учнів, а чого ще можна було очікувати від людей, які бачили, як талановитий учений тягає по підлозі мотузку, то розмотану на всю довжину, то щільно повиту. Ці та інші подібні експерименти дозволили йому трохи пізніше (в 1519) зробити висновок: сила тертя, яка з'являється при контакті одного тіла з поверхнею іншого, безпосередньо залежить від навантаження (сили притискання), не залежить від площі взаємодії і спрямована в протилежну від руху бік.
Відкриття формули
Пройшло 180 років, і модель Леонардо була заново відкрита Г. Амонтоном, а в 1781 Ш. О. Кулон у своїх роботах дав їй остаточне формулювання. Заслуга цих двох учених у цьому, що вони запровадили таку фізичну константу, як коефіцієнт тертя, цим дозволивши вивести формулу, якою можна обчислити, чому дорівнює сила тертя конкретно взятої пари взаємодіючих матеріалів. Досі саме цей вираз
F t = k t х Р, де
Р - сила притискання (навантаження), а k t - коефіцієнт тертя, рік у рік перекочує в різні підручники та посібники з фізики, а самі коефіцієнти давно вже підраховані та містяться у стандартних інженерних довідниках. Здавалося б, нарешті з цим явищем настала повна ясність, проте не було.
Нові нюанси
У XIX столітті вчені переконалися в тому, що формулювання, запропоноване Амонтоном і Кулоном, не є універсальним і абсолютно правильним, а сила тертя залежить не тільки від коефіцієнтів і навантаження, що додається. Крім цього, є ще третій фактор – якість обробки поверхні. Залежно від того, є вона гладкою або шорсткою, сила тертя прийматиме різне значення. В принципі, це цілком логічно: зрушити предмет, що ковзає, набагато простіше в порівнянні зі зміщенням об'єкта з нерівною поверхнею. Наприкінці ХІХ століття з'явилися нові досягнення у вивченні в'язкості, і стало зрозуміло, як діє сила тертя рідинах. І хоча мастило поверхонь, що труться, використовували з самого початку зародження техніки, лише в 1886 році завдяки О. Рейнольдсу з'явилася струнка теорія, присвячена мастилу. Так, якщо її достатньо, і безпосередньо контакту між двома предметами не відбувається, сила тертя залежить лише від її гідродинаміки. А якщо мастила недостатньо, то включаються всі три механізми: кулонова сила, сила в'язкого опору і сила, що перешкоджає струганню з місця. Як ви вважаєте, чи поставила ця теорія крапку у вивченні цього явища? Правильно, ні. На порозі ХХ століття виявилося, що на малих швидкостях за відсутності мастила виникає штрибек-ефект. Його суть у тому, що коли мастило відсутнє, сила опору не знижується відразу з величини сили торкання рівня кулонової сили, а падає поступово зі зростанням швидкості. У ХХ столітті подальші дослідження у цій галузі принесли так багато нової інформації, що її потрібно було якось систематизувати. Через війну з'явилася ціла наука - трибологія, вивчає, як діє сила тертя у природі. Тільки США число вчених, які працюють у цій сфері, перевалило за тисячу чоловік, а світі щороку цю тему публікується понад 700 статей. Цікаво, що ще цікавого вдасться виявити вченим? Поживемо побачимо!
Муніципальна бюджетна загальноосвітня установа
«Первомайська середня загальноосвітня школа»
п. Первомайський
Дослідницька робота
«Сила тертя та її корисні властивості»
Виконав: Платон Олексій,
учень 9 – «Д» класу
Керівник:
,
вчитель фізики
п. Первомайський
Тамбовській області
2012
1. Вступ 3
2. Дослідження громадської думки. 4
3. Що таке тертя (трохи теорії). 5
3.1. Тертя спокою. 5
3.2. Тертя ковзання. 6
3.3. Тертя кочення. 6
3.4. Історична довідка. 8
3.5. Коефіцієнт тертя. 9
3.6. Роль сил тертя. 11
4. Результати дослідів. 12
5. Конструкторська роботата висновки. 13
6. Висновок. 15
7. Список використаної литературы. 16
1. Вступ
Проблема:Зрозуміти – чи потрібна нам сила тертя і дізнатися про її корисні властивості.
Як розганяється автомобіль і яка сила уповільнює його при гальмуванні? Чому автомобіль «заносить» на слизькій дорозі? Що спричиняє швидке зношування деталей? Чому автомобіль, розігнавшись до великих швидкостей, не може різко зупинитися? Як утримуються рослини у ґрунті? Чому живу рибу важко у руці втримати? Чим пояснити високий відсоток травматизму та дорожньо-транспортних пригод під час ожеледиці у зимовий період?
Відповіді на ці та інші питання, пов'язані з рухом тіл, дають закони тертя.
З наведених питань випливає, що тертя є шкідливим і корисним явищем.
У 18 столітті французький фізик відкрив закон, згідно з яким сила тертя між твердими тілами не залежить від площі зіткнення, а пропорційна силі реакції опори і залежить від властивостей поверхонь, що стикаються. Залежність сили тертя від властивостей поверхонь, що стикаються, характеризується коефіцієнтом тертя. Коефіцієнт тертя лежить у межах від 0,5 до 0,15. Хоча з того часу було висунуто чимало гіпотез, які пояснюють цей закон, досі повної теорії сили тертя немає. Тертя визначається властивостями поверхні твердих тіл, які дуже складні і остаточно ще вивчені.
Головні цілі даного проекту : 1) Вивчити природу сил тертя; дослідити фактори, від яких залежить тертя; розглянути види тертя.
2) З'ясувати, як людина отримала знання про це явище, якою є його природа.
3)Показать, яку роль грає явище тертя чи його відсутність у житті; відповісти на запитання: "Що ми знаємо про це явище?"
4) Створити демонстраційні експерименти; пояснити результати явищ, що спостерігаються.
Завдання: Простежити історичний досвід людства щодо використання та застосування цього явища; з'ясувати природу явища тертя, закономірності тертя; провести експерименти, що підтверджують закономірності та залежності сили тертя; продумати і створити демонстраційні експерименти, що доводять залежність сили тертя від сили нормального тиску, від властивостей поверхонь, що стикаються, від швидкості відносного руху тіл.
Для досягнення поставленої мети над цим проектом працювали за такими напрямами:
1) Дослідження громадської думки;
2) Вивчення теорії тертя;
3) Експеримент;
4) Конструювання.
Актуальність проблеми.Явище тертя зустрічається у нашому житті дуже часто. Усі рухи дотичних тіл одне щодо одного завжди відбувається з тертям. Сила тертя завжди впливає більшою чи меншою мірою на характер руху.
Гіпотеза.Сила тертя корисна, залежить від роду поверхонь, що труться, і сили тиску.
Практична значимістьполягає у застосуванні залежності сили тертя від сили реакції опори, від властивостей поверхонь, що стикаються, від швидкості руху в природі. Також необхідно це враховувати у техніці та у побуті.
Науковий інтересполягає в тому, що в процесі вивчення цього питання отримано деякі відомості про практичне застосування явища тертя.
2. Дослідження громадської думки.
Цілі: показати, яку роль грає явище тертя чи його відсутність у житті; відповісти на запитання: "Що ми знаємо про це явище?"
Було вивчено прислів'я, приказки, в яких проявляється сила тертя спокою, кочення, ковзання, вивчали людський досвід у застосуванні тертя, способів боротьби з тертям.
Прислів'я та приказки:
Не буде снігу, не буде й сліду.
Тихий віз буде на горі.
Тяжко проти води плисти.
Любиш кататися, люби та саночки возити.
Терпіння і працю все перетруть.
Від того і воз заспівав, що давно дьогтю не їв.
І строчить, і валяє, і гладить, і катає. А все язиком.
Бреше, що шовком шиє.
Візьмемо монету і потрімо нею об шорстку поверхню. Ми виразно відчуємо опір – це і є сила тертя. Якщо терти швидше, монета почне нагріватися, нагадавши нам про те, що при терті виділяється теплота - факт, відомий ще людині кам'яної доби, адже саме таким способом люди вперше навчилися добувати вогонь.
Тертя дає нам можливість ходити, сидіти, працювати без побоювання, що книги та зошити впадуть зі столу, що стіл ковзатиме, доки не впереться в кут, а ручка вислизне з пальців.
Тертя сприяє стійкості. Теслярі вирівнюють підлогу так, що столи та стільці залишаються там, де їх поставили.
Проте мале тертя на льоду може бути успішно використане технічно. Свідченням цього є так звані крижані дороги, які влаштовували для вивезення лісу з місця рубки до залізниціабо до пунктів металу. На такій дорозі, що має гладкі крижані рейки, два коні тягнуть сани, навантажені 70 тонн колод.
Тертя - не тільки гальмо для руху. Це ще й головна причина зношування технічних пристроїв, проблема, з якою людина зіткнулася також на зорі цивілізації. Під час розкопок одного з найдавніших шумерських міст – Урука – виявлено залишки масивних дерев'яних коліс, яким 4,5 тис. років. Колеса оббиті мідними цвяхами з очевидною метою – захистити обоз від швидкого зношування.
І в нашу епоху боротьба із зношуванням технічних пристроїв – найважливіша інженерна проблема, успішне вирішення якої дозволило б заощадити десятки мільйонів тонн сталі, кольорових металів, різко скоротити випуск багатьох машин, запасних частин до них.
Вже в античну епоху в розпорядженні інженерів були такі найважливіші засобидля зниження тертя в самих механізмах, як змінний металевий підшипник ковзання, що змащується жиром або оливковою олією, і навіть підшипник кочення.
Першими у світі підшипниками вважаються ремінні петлі, що підтримують осі шумерських допотопних возів.
Підшипники зі змінними металевими вкладишами були добре відомі Стародавню Грецію, де вони застосовувалися у колодязних воротах та млинах.
Звичайно, тертя грає в нашому житті і позитивну роль, але воно і небезпечне для нас, особливо в зимовий період, ожеледиця.
3. Що таке тертя (трохи теорії)
Цілі:вивчити природу сил тертя; дослідити фактори, від яких залежить тертя; розглянути види тертя.
Сила тертя
Якщо ми спробуємо зрушити з місця шафу, то одразу переконаємося, що не так просто це зробити. Його руху заважатиме взаємодія ніжок із підлогою, на якій він стоїть. Розрізняють 3 види тертя: тертя спокою, тертя ковзання, тертя кочення. Ми хочемо з'ясувати, чим ці види відрізняються один від одного і що є між ними спільного?
3.1. Тертя спокою
Щоб з'ясувати сутність цього явища, можна провести нескладний експеримент. Покладемо брусок на похилий дошці. При невеликому куті нахилу дошки брусок може залишитися на місці. Що буде утримувати його від зісковзування вниз? Тертя спокою.
Притиснемо свою руку до зошита, що лежить на столі, і пересунемо її. Зошит рухатиметься щодо столу, але спочиватиме щодо нашої долоні. За допомогою чого ми змусили цей зошит рухатися? За допомогою тертя спокою зошити об руку. Тертя спокою переміщає вантажі, що знаходяться на стрічці транспортера, що рухається, перешкоджає розв'язуванню шнурків, утримує цвяхи, вбиті в дошку, і т.д.
Сила тертя спокою може бути різною. Вона росте разом із силою, яка прагне зрушити тіло з місця. Але для будь-яких двох тіл, що стикаються, вона має деяке максимальне значення, більше якого бути не може. Наприклад, для дерев'яного бруска, що знаходиться на дерев'яній дошці, максимальна сила тертя спокою становить приблизно 0,6 від ваги. Приклавши до тіла силу, що перевищує максимальну силу тертя спокою, ми зрушимо тіло з місця, і воно почне рухатися. Тертя спокою при цьому зміниться тертям ковзання.
3.2. Тертя ковзання
Чому поступово зупиняються санки, що скотилися з гори? Через тертя ковзання. Чому сповільнює свій рух шайба, що ковзає льодом? Внаслідок тертя ковзання, спрямованого завжди у бік, протилежну напрямку руху тіла. Причини виникнення сили тертя:
1) Шорсткість поверхонь дотичних тіл. Навіть ті поверхні, які виглядають гладкими, насправді мають мікроскопічні нерівності (виступи, западини). При ковзанні одного тіла поверхнею іншого ці нерівності зачіплюються одне одного й цим заважають руху;
2) міжмолекулярне тяжіння, що діє в місцях контакту тіл, що труться. Між молекулами речовини дуже малих відстанях виникає тяжіння. Молекулярне тяжіння проявляється в тих випадках, коли поверхні тіл, що стикаються, добре відполіровані. Так, наприклад, при відносному ковзанні двох металів з дуже чистими і рівними поверхнями, обробленими у вакуумі за допомогою спеціальної технології, сила тертя виявляється набагато сильнішою, ніж сила тертя між брусками дерева один з одним, і подальше ковзання стає неможливим.
3.3. Тертя кочення
Якщо тіло не ковзає по поверхні іншого тіла, а, подібно до колеса або циліндра, котиться, то тертя, що виникає в місці їх контакту, називають тертям кочення. Колесо, що котиться, трохи вдавлюється в полотно дороги, і тому перед ним весь час виявляється невеликий горбок, який необхідно долати. Саме тим, що колесу, що котиться, постійно доводиться наїжджати на бугорок, що з'являється попереду, і обумовлено тертя кочення. При цьому чим дорога твердіша, тим тертя кочення менше. При однакових навантаженнях сила тертя кочення значно менша від сили тертя ковзання (це було помічено ще в давнину). Так, ніжки важких предметів, наприклад, ліжок, роялів тощо, постачають роликами. У техніці зменшення тертя в машинах широко користуються підшипниками кочення, інакше званими кульковими і роликовими підшипниками.
Ці види тертя належать до сухого тертя. Ми знаємо, чому книга не провалюється крізь стіл. Але що заважає їй зісковзнути, якщо стіл трохи нахилений? Наша відповідь – тертя! Ми спробуємо пояснити природу сили тертя.
На перший погляд пояснити походження сили тертя дуже просто. Адже поверхня столу та обкладинка книги шорсткі. Це відчувається на дотик, а під мікроскопом видно, що поверхня твердого тіланайбільше нагадує гірську країну. Численні виступи чіпляються один за одного, трохи деформуються і не дають книзі зісковзнути. Отже, сила тертя спокою викликана тими самими силами взаємодії молекул, як і нормальна гнучкість.
Якщо ми збільшимо нахил столу, книга почне ковзати. Очевидно, при цьому починаються «сколювання» горбків, розрив молекулярних зв'язків, не здатних витримати зростання навантаження. Сила тертя, як і раніше, діє, але це вже буде сила тертя ковзання. Виявити «сколювання» горбків нескладно. Результатом такого «сколювання» є знос деталей, що труться.
Здавалося б, чим ретельніше відполіровані поверхні, тим меншою має бути сила тертя. До певної міри це так. Шліфування знижує, наприклад, силу тертя між двома сталевими брусками. Але не безмежно! Сила тертя раптово починає зростати за подальшого збільшення гладкості поверхні. Це несподівано, але все ж зрозуміло.
У міру згладжування поверхонь вони все тісніше і тісніше прилягають один до одного.
Однак, поки висота нерівностей перевищує кілька молекулярних радіусів, сили взаємодії між молекулами сусідніх поверхонь відсутні. Адже це дуже короткодіючі сили. При досягненні якоїсь досконалості шліфування поверхні зблизиться настільки, що сили зчеплення молекул включаться в гру. Вони почнуть перешкоджати зміщенню брусків один щодо одного, що забезпечує силу тертя спокою. При ковзанні гладких брусків молекулярні зв'язки між їх поверхнями рвуться подібно до того, як у шорстких поверхонь руйнуються зв'язки всередині самих горбків. Розрив молекулярних зв'язків – ось те головне, чим відрізняються сили тертя від сил пружності. У разі сил пружності таких розривів немає. Через це сили тертя залежить від швидкості.
Часто в популярних книгах та науково-фантастичних оповіданнях малюють картину світу без тертя. Так можна дуже наочно показати як користь, і шкоду тертя. Але не слід забувати, що в основі тертя лежать електричні сили взаємодії молекул. Знищення тертя фактично означало б знищення електричних сил і, отже, неминучий повний розпад речовини.
Але знання про природу тертя прийшли до нас не самі собою. Цьому передувала велика дослідницька роботавчених-експериментаторів упродовж кількох століть. Не всі знання приживалися легко і просто, багато хто вимагав багаторазових експериментальних перевірок, доказів. Найсвітліші розуми останніх століть вивчали залежність модуля сили тертя багатьох чинників: від площі зіткнення поверхонь, від роду матеріалу, від навантаження, від нерівностей поверхонь і шорсткостей, від відносної швидкості руху тел. Імена цих вчених: Леонардо да Вінчі, Амон-тон, Леонард Ейлер, Шарль Кулон - це найвідоміші імена, але були ще рядові трудівники науки. Усі вчені, які брали участь у цих дослідженнях, ставили досліди, в яких відбувалася робота з подолання сили тертя.
3.4. Історична довідка
Ішов 1500 рік . Великий італійський художник, скульптор та вчений Леонардо да Вінчі проводив дивні досліди, чим дивував своїх учнів.
Він тягав по підлозі, то щільно свиту мотузку, то ту ж мотузку на всю довжину. Його цікавила відповідь на запитання: чи залежить сила тертя ковзання від величини площі тіл, що стикаються в русі? Механіки того часу були глибоко переконані, що чим більше площадотику, тим більше сила тертя. Вони міркували приблизно так, що чим більше таких точок, тим більша сила. Цілком очевидно, що на більшій поверхні буде більше таких точок торкання, тому сила тертя повинна залежати від площі тіл, що труться.
Леонардо да Вінчі засумнівався і почав проводити досліди. І отримав приголомшливий висновок: сила тертя ковзання не залежить від площі тіл, що стикаються. Водночас Леонардо да Вінчі досліджував залежність сили тертя від матеріалу, з якого виготовлені тіла, від величини навантаження на ці тіла, від швидкості ковзання та ступеня гладкості чи шорсткості їхньої поверхні. Він отримав такі результати:
1. Від площі залежить.
2. Від матеріалу залежить.
3. Від величини навантаження залежить (пропорційно до неї).
4. Від швидкості ковзання залежить.
5. Залежить від шорсткості поверхні.
1699 рік . Французький вчений Амонтон у результаті своїх дослідів так відповів на ті самі п'ять запитань. На перші три – так само, на четвертий – залежить. На п'ятий – не залежить. Виходило, і Амонтон підтвердив такий несподіваний висновок Леонардо да Вінчі про незалежність сили тертя від площі дотичних тіл. Але в той же час він не погодився з ним у тому, що сила тертя залежить від швидкості ковзання; він вважав, що сила тертя ковзання залежить від швидкості, а з тим, що сила тертя залежить від шорсткості поверхонь, не погоджувався.
Протягом вісімнадцятого та дев'ятнадцятого століть налічувалося до тридцяти досліджень на цю тему. Їхні автори погоджувалися лише в одному - сила тертя пропорційна силі нормального тиску, що діє на тіла, що стикаються. А щодо інших питань згоди не було. Продовжував викликати здивування навіть у найвидатніших учених експериментальний факт: сила тертя не залежить від площі тіл, що труться.
1748 рік . Дійсний член Російської Академіїнаук Леонард Ейлер опублікував свої відповіді на п'ять питань про тертя. На перші три - такі самі, як і в попередніх, але в четвертому він погодився з Амонтоном, а в п'ятому - з Леонардо да Вінчі.
1779 рік . У зв'язку з використанням машин і механізмів у виробництво назріла гостра потреба у глибшому вивченні законів тертя. Видатний французький фізик Кулон зайнявся вирішенням завдання про тертя і присвятив цьому два роки. Він ставив досліди на суднобудівній верфі в одному з портів Франції. Там він знайшов ті практичні виробничі умови, в яких сила тертя грала дуже важливу роль. Кулон на всі запитання відповів – так. Загальна сила тертя в якійсь малій мірі все ж таки залежить від розмірів поверхні тертьових тіл, прямо пропорційна силі нормального тиску, залежить від матеріалу дотичних тіл, залежить від швидкості ковзання і від ступеня гладкості поверхонь, що труться. Надалі вчених стало цікавити питання про вплив мастила, і були виділені види тертя: рідинне, чисте, сухе та граничне.
Правильні відповіді
Сила тертя не залежить від площі тіс, що стикаються, а залежить від матеріалу тіл: чим більша сила нормального тиску, тим більше сила тертя. Точні виміри показують, що модуль сили тертя ковзання залежить від модуля відносної швидкості.
Сила тертя залежить від якості обробки поверхонь, що труться, і збільшення внаслідок цього сили тертя. Якщо ретельно відполірувати поверхні тіл, що стикаються, то число точок торкання при тій же силі нормального тиску збільшується, а отже, збільшується і сила тертя. Тертя пов'язане з подоланням молекулярних зв'язків між тілами, що стикаються.
3.5.Коефіцієнт тертя
Сила тертя залежить від сили, яка притискає дане тіло до поверхні іншого тіла, тобто від сили нормального тиску N і від якості поверхонь, що труться.
У досліді з трибометром силою нормального тиску є вага бруска. Виміряємо силу нормального тиску, що дорівнює вазі чашечки з гирками в момент рівномірного ковзання бруска. Збільшимо тепер силу нормального тиску вдвічі, поставивши вантажі на брусок. Поклавши на філіжанку додаткові гирки, знову змусимо брусок рухатися рівномірно.
Сила тертя при цьому збільшиться вдвічі. На підставі подібних дослідів було встановлено, що, при незмінних матеріалі і стані поверхонь, що труться сила їх тертя прямо пропорційна силі нормального тиску, тобто.
Величина, що характеризує залежність сили тертя від матеріалу і якості обробки поверхонь, що труться, називається коефіцієнтом тертя. Коефіцієнт тертя вимірюється абстрактним числом, що показує, яку частину сили нормального тиску становить сила тертя
μ залежить від низки причин. Досвід показує, що тертя між тілами з однакової речовини, власне кажучи, більше, ніж між тілами з різних речовин. Так, коефіцієнт тертя сталі сталі більше, ніж коефіцієнт тертя сталі по міді. Пояснюється це наявністю сил молекулярної взаємодії, які в однорідних молекул значно більше, ніж у різнорідних.
Впливає на тертя і якість обробки поверхонь, що труться.
Коли якість обробки цих поверхонь різна, то неоднакові і розміри шорсткостей на поверхнях, що труться, тим міцніше зчеплення цих шорсткостей, тобто більше μ тертя. Отже, однаковому матеріалу і якості обробки обох поверхонь, що труться, відповідає найбільше значення 115%"> сили взаємодії. Якщо в попередній формулі під F тр мали на увазі силу тертя ковзання, то μ буде позначати коефіцієнт тертя ковзання, якщо ж FTp замінити найбільшим значенням сили тертя спокою F макс ., то μ буде позначати коефіцієнт тертя спокою
Тепер перевіримо, чи залежить сила тертя від площі дотику поверхонь, що труться. Для цього покладемо на полозья трибометра 2 однакових бруска і виміряємо силу тертя між полозами та «здвоєним» бруском. Потім покладемо їх на полозья порізно, зчепивши один з одним і знову виміряємо силу тертя. Виявляється, що, незважаючи на збільшення площі поверхонь, що труться, у другому випадку, сила тертя залишається незмінною. Звідси випливає, що сила тертя не залежить від величини поверхонь, що труться. Такий, на перший погляд дивний результат досвіду пояснюється дуже просто. Збільшивши площу тертьових поверхонь, ми тим самим збільшили кількість нерівностей, що зачіпляються один за одного на поверхні тіл, але одночасно зменшили силу, з якої ці нерівності притискаються один до одного, так як розподілили вагу брусків на велику площу.
Досвід показав, що сила тертя залежить від швидкості руху. Однак при малих швидкостях цю залежність можна знехтувати. Поки швидкість руху невелика, сила тертя зростає зі збільшенням швидкості. Для високих швидкостей руху спостерігається зворотна залежність: зі збільшенням швидкості сили тертя зменшується. Слід зазначити, що це встановлені співвідношення для сили тертя носять наближений характер.
Сила тертя значно змінюється в залежності від стану поверхонь, що труться. Особливо сильно вона зменшується за наявності рідкого прошарку, наприклад масла, між поверхнями, що труться (мастило). Мастилом широко користуються техніці зменшення сил шкідливого тертя.
3.6. Роль сил тертя
У техніці та в повсякденному життісили тертя відіграють величезну роль. В одних випадках сили тертя приносять користь, в інших – шкоду. Сила тертя утримує вбиті цвяхи, гвинти, гайки; утримує нитки в матерії, зав'язані вузли і т. д. За відсутності тертя не можна було пошити одяг, зібрати верстат, сколотити ящик.
Тертя збільшує міцність споруд; без тертя не можна проводити ні кладку стін будівлі, ні закріплення телеграфних стовпів, ні скріплення частин машин та споруд болтами, цвяхами, шурупами. Без тертя не могли б утримуватися рослини у ґрунті. Наявність тертя спокою дозволяє людині пересуватися поверхнею Землі. Йдучи, людина відштовхує від себе Землю назад, а Земля так само силою штовхає людину вперед. Сила, що рушить людину вперед, дорівнює силі тертя спокою між підошвою ноги та Землею.
Чим сильніша людина штовхає Землю назад, тим більше сила тертя спокою, прикладена до ноги, і тим швидше рухається людина.
Коли людина відштовхує Землю з більшою силою, ніж гранична сила тертя спокою, то нога ковзає назад, і це ускладнює ходьбу. Згадаймо, як важко ходити по слизькому льоду. Щоб легше було йти, потрібно збільшити тертя спокою. З цією метою слизьку поверхню посипають піском. Сказане стосується і руху електровоза, автомобіля. Колеса, з'єднані з двигуном, називаються провідними.
Коли провідне колесо з силою, що створюється двигуном, штовхає рейку назад, то сила, що дорівнює тертю спокою і прикладена до осі колеса, рухає вперед електровоз або автомобіль. Отже, тертя між провідним колесом та рейкою або Землею – корисне. Якщо воно мало, то колесо буксує, а електровоз чи автомобіль стоїть на місці. Тертя ж, наприклад, між частинами працюючої машини, що рухаються, шкідливо. Для збільшення тертя посипають рейки піском. У ожеледицю дуже важко ходити пішки і пересуватися на автомобілях, тому що тертя спокою дуже мало. У цих випадках посипають тротуари піском та надягають ланцюги на колеса автомобілів, щоб збільшити тертя спокою.
Силою тертя також користуються для утримання тіл у стані спокою або їх зупинки, якщо вони рухаються. Обертання коліс припиняється за допомогою гальмівних колодок, тим чи іншим способом притискаються до обода колеса. Найбільш поширені повітряні гальма, в яких гальмівна колодка притискається до колеса за допомогою стисненого повітря.
Розглянемо докладніше рух коня, що тягне сани. Кінь ставить ноги і напружує м'язи таким чином, що без сил тертя спокою ноги ковзали б назад. У цьому виникають сили тертя спокою, спрямовані вперед. На сани ж, які кінь тягне вперед через поромки з силою , З боку землі діє сила тертя ковзання, спрямована назад. Щоб кінь та сани отримали прискорення, необхідно, щоб сила тертя копит коня об поверхню дороги була більшою, ніж сила тертя, що діє на сани. Проте, хоч би як був великий коефіцієнт тертя підків об землю, сила тертя спокою може бути більше тієї сили, що мала викликати ковзання копит, т. е. сили м'язів коня. Тому навіть тоді, коли ноги коня не ковзають, все ж таки вона іноді не може зрушити з місця важкі сани. Під час руху (коли почалося ковзання) сила тертя дещо зменшується; тому часто досить допомогти коні зрушити сани з місця, щоб потім вона могла їх везти.
4. Результати експериментів
Ціль:з'ясувати залежність сили тертя ковзання від наступних факторів:
Від навантаження;
Від площі зіткнення поверхонь, що труться;
Від матеріалів, що труться (при сухих поверхнях).
Обладнання: лабораторний динамометр з жорсткістю пружини 40 Н/м; динамометр круглий демонстраційний (межа - 12Н); дерев'яні бруски – 2 штуки; набір вантажів; дерев'яна дошка; шматок металевого листа; плоский чавунний брусок; лід; гума.
Результати експериментів
1. Залежність сили тертя ковзання від навантаження.
m, (г) | 1120 |
||
FTP(H) |
2. Залежність сили тертя від площі зіткнення поверхонь, що труться.
S (см2) | |||
FTP(H) | 0,35 | 0,35 | 0,37 |
3. Залежність сили тертя від розмірів нерівностей поверхонь, що труться: дерево по дереву (різні способи обробки поверхонь).
1 лакований | 2 дерев'яне | 3 тканинне |
|
0, 9Н | 1, 4Н |
При дослідженні сили тертя від матеріалів поверхонь, що труться, ми використовуємо один брусок масою 120 г і різні контактні поверхні. Використовуємо формулу:
Ми розраховували коефіцієнти тертя ковзання для наступних матеріалів:
№ п/п | Матеріали, що труться (при сухих поверхнях) | Коефіцієнт тертя (при русі) |
Дерево по дереву (в середньому) | 0,28 |
|
Дерево по дереву (вздовж волокон) | 0,07 |
|
Дерево з металу | 0,39 |
|
Дерево по чавуну | 0,47 |
|
Дерево по льоду | 0,033 |
5. Конструкторська робота та висновки
Цілі:створити демонстраційні експерименти; пояснити результати явищ, що спостерігаються.
Досліди з тертя
Вивчивши літературу, ми забрали кілька дослідів, які вирішили здійснити самі. Ми продумали експерименти і спробували пояснити результати наших експериментів. Як прилади та інструменти ми взяли: дерев'яну лінійку, ножі, наждачний папір, точильне коло.
Досвід №1
Циліндричний ящик діаметром 20см та висотою 7см наповнений піском. У пісок зарита легка фігурка з вантажем на ногах, а на його поверхню покладена металева кулька. При струшуванні ящика фігурка висовується з піску, а кулька тоне в ньому. При струшуванні піску послаблюються сили тертя між піщинками, він стає зручним і набуває властивостей рідини. Тому важкі тіла «тонуть» у піску, а легені «спливають».
Досвід№ 2 Точка ножів у майстернях. Обробляє поверхні деталей за допомогою наждакового паперу. Явища засновані на розколюванні зазубрин між поверхнями, що стикаються.
Досвід №3При багаторазовому розгинанні та згинанні дроту місце вигину нагрівається. Це відбувається за рахунок тертя між окремими шарами металу.
Також при натиранні монети про горизонтальну поверхню монета нагрівається.
Результатами цих дослідів можна пояснити багато явищ.
Наприклад, випадок у майстернях. Під час роботи за верстатом у мене сталося задимлення між поверхнями рухомих частин верстата, що труться. Це пояснюється явищем тертя між поверхнями, що стикаються. Для запобігання даному явищу необхідно було змастити поверхні, що труться, і зменшити тим самим силу тертя.
6. Висновок
Ми з'ясували, що людина здавна використовує знання про явище тертя, отримане досвідченим шляхом. Починаючи з XV-XVI століть, знання про це явище стають науковими: ставляться досліди щодо визначення залежностей сили тертя багатьох чинників, з'ясовуються закономірності.
Тепер ми знаємо, від чого залежить сила тертя, а що не впливає на неї. Якщо говорити конкретніше, то сила тертя залежить: від навантаження чи маси тіла; від роду дотичних поверхонь; від швидкості відносного руху тел; від розміру нерівностей чи шорсткостей поверхонь. А ось від площі зіткнення вона не залежить.
Тепер ми можемо пояснити всі закономірності, що спостерігаються в практиці, будовою речовини, силою взаємодії між молекулами.
Ми провели серію експериментів, проробили приблизно такі ж досліди, як і вчені, і отримали приблизно такі самі результати. Вийшло, що ми експериментально підтвердили всі твердження, висловлені нами.
Нами було створено серію експериментів, які допомагають зрозуміти і пояснити деякі «важкі» спостереження.
Але, мабуть, найголовніше - ми зрозуміли, як чудово здобувати знання самим, а потім ділитися ними з іншими.
Список використаної литературы.
1. Елементарний підручник фізики: Навчальний посібник. У 3-хт. / За ред. . Т.1 Механіка. Молекулярна фізика. М.: Наука, 1985.
2. , Проказа механіки та техніки: Кн. для учнів. - М.: Просвітництво, 1993.
3. Бутько, ч.1 та 2. Механіка. Молекулярна фізика та теплота. М.: вища школа, 1972.
4. Енциклопедія для дітей. 16. 1 Біографія фізики. Подорож у глиб матерії. Механічна картина світу/Голов. ред. . - М.: Аванта +, 2000
· http://demo. home. nov. ru / favorite. htm
· http://gannalv. *****/tr/
· http://ua. Wikipedia. org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5
· http://class-fizika. *****/7_tren. htm
· http://www. *****/component/option, com_frontpage/Itemid,1/
- Синестезія – це що за явище у психології?
- Московські політехнічні коледжі: спеціальності та відгуки На кого навчаються у політехнічному коледжі
- Цікаві факти про життя космонавтів на мкс
- Космічний політ Гагаріна: що слід знати про одну з головних подій XX століття На чому відбуваються польоти в космос