Сила трения. 10 класс. Школьный курс физики


Главная | Физика 10 класс | Сила трения







Природа сил трения.

Ещё один тип сил, с которыми встречаются в механике, — это силы трения. Причина, по которой книга не соскальзывает со слегка наклонного стола, — шероховатость поверхности стола и обложки книги. Эта шероховатость заметна на ощупь, а под микроскопом видно, что поверхность твёрдого стола более всего напоминает горную страну. Бесчисленные выступы цепляются друг за друга, деформируются и не дают книге или грузу скользить.

При скольжении гладких брусков рвутся молекулярные связи между молекулами на поверхности брусков, подобно тому, как у шероховатых поверхностей разрушаются связи в самих бугорках. Разрыв молекулярных связей — это то, чем отличаются силы трения от сил упругости, при возникновении которых таких разрывов не происходит.

Итак, силы трения, как и силы упругости, имеют электромагнитную природу, т.

е. в основе сил трения лежат электрические силы взаимодействия молекул. Главная особенность сил трения, отличающая их от гравитационных сил и сил упругости, состоит в том, что они зависят от скорости движения тел относительно друг друга.

Трение возможно между поверхностью твёрдого тела и окружающей его жидкостью или газообразной средой, в которой оно движется. В этом случае трение называют жидким (или вязким). В отличие от жидкого трения, сухое трение существует между поверхностями двух соприкасающихся твёрдых тел, когда между ними нет жидкой или газообразной смазки.

Трение покоя.

Допустим, что вам нужно передвинуть шкаф. Вы действуете на него с силой, направленной горизонтально, но шкаф не сдвигается с места. Это возможно только в том случае, когда приложенная к шкафу сила компенсируется (уравновешивается) какой-то другой силой. Эта сила, равная по модулю приложенной вами силе и направленная противоположно ей, называется силой трения покоя тр. п (рис. 3.47, а).

Рис. 3.47


Сила трения покоя равна по модулю и направлена противоположно силе, приложенной к телу параллельно поверхности соприкосновения его с другим телом.


Если параллельно этой поверхности не действуют никакие силы, то сила трения покоя равна нулю. Увеличивая силу, действующую на шкаф, вы в конце концов сдвинете его с места. Следовательно, сила трения покоя может изменяться от нуля до некоторого максимального значения (рис. 3.47, б).

Максимальное значение силы трения, при котором скольжение ещё не наступает, называют максимальной силой трения покоя. Если действующая на покоящееся тело сила хотя бы немного превышает максимальную силу трения покоя, то тело начинает скользить.

Исследования физических явлений опытным путём

Выясним, от чего зависит максимальная сила трения покоя. Положим на стол тяжёлый деревянный брусок и начнём тянуть его с помощью динамометра в горизонтальном направлении (рис.

3.48). Будем фиксировать показания динамометра в тот момент, когда брусок начинает трогаться с места. Они соответствуют модулю максимальной силы трения покоя. После этого будем нагружать брусок гирями, увеличивая модуль веса бруска, следовательно, и модуль силы реакции опоры, в 2, 3 и т. д. раз. При этом модуль максимальной силы трения покоя Finax тоже увеличивается в 2, 3 и т. д. раза.

Рис. 3.48

Проведённый опыт (как и множество других подобных опытов) позволяет сделать вывод о том, что

максимальное значение модуля силы трения покоя прямо пропорционально модулю силы реакции опоры.

В формуле (1) μ — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения покоя 1. Он зависит от материала, из которого изготовлены соприкасающиеся тела, качества обработки их поверхностей, но, как показывает опыт, не зависит от площади их соприкосновения.

1 Соотношение (1) часто называют законом сухого трения.

Почему сила трения покоя может изменяться от нуля до максимального значения, равного

μN? При действии на тело некоторой силы оно слегка (незаметно для глаза) смещается. Это смещение продолжается до тех пор, пока микроскопические шероховатости поверхностей не расположатся так, что, зацепляясь друг за друга, они приведут к появлению силы трения тр, уравновешивающей силу .

При увеличении силы тело немного сдвинется так, что мельчайшие неровности поверхностей по-иному будут цепляться друг за друга и сила трения возрастёт. Лишь при > max  ни при каком расположении поверхностей по отношению друг к другу сила трения не в состоянии уравновесить силу , и начинается скольжение.

Трение скольжения.

Когда тело скользит по поверхности другого тела, на него действует

сила трения скольжения. В этом можно убедиться на опыте. Прикреплённый к бруску динамометр при равномерном движении бруска по горизонтальной поверхности (рис. 3.49) показывает, что на брусок со стороны пружины динамометра действует постоянная сила упругости .

Рис. 3.49

Согласно второму закону Ньютона, при равномерном движении бруска ( = 0) равнодействующая всех сил, приложенных к нему, равна нулю.

Следовательно, кроме силы упругости (сила тяжести m и сила реакции опоры уравновешиваются) во время равномерного движения на брусок действует сила, равная по модулю силе упругости, но направленная противоположно ей. Это сила трения скольжения

тр.ск.

Сила трения скольжения, как и максимальная сила трения покоя, зависит от силы реакции опоры, от материала соприкасающихся тел и качества обработки их поверхностей, а также от относительной скорости движения тел.

Во-первых, сила трения скольжения всегда направлена противоположно относительной скорости соприкасающихся тел. Это .можно пояснить с помощью рисунка 3.50, на котором изображены два соприкасающихся тела. Тело 1 движется относительно тела 2 со скоростью υ1.

2, направленной вправо. К телу 1 приложена сила трения скольжения тр1, направленная влево. Тело 2 движется относительно тела 1 влево со скоростью υ2.1, а приложенная к нему сила трения скольжения тр2 направлена вправо.

Рис. 3.50

Во-вторых, модуль силы трения скольжения тр.ск зависит от модуля относительной скорости и соприкасающихся тел. При малых относительных скоростях движения тел сила трения скольжения мало отличается от максимальной силы трения покоя max.

Поэтому приближённо можно считать её постоянной и равной по модулю силе трения покоя

2:

Fтр.ск ≈ Fmax = μ.

2 При движении автомобиля сила трения скольжения заметно меньше силы трения покоя. Поэтому замедление при вращении колёс автомобиля со скоростью, соответствующей скорости его движения, будет эффективнее, чем замедление при проскальзывании колёс относительно дорожного полотна. На этом явлении основана работа антиблокировочной системы, позволяющей предотвратить блокировку колёс автомобиля при торможении, существенно уменьшить его тормозной путь и стабилизировать траекторию движения.

Однако с увеличением относительной скорости сила трения скольжения увеличивается и может превысить Fmax. Примерный график зависимости силы трения скольжения Fтр.ск от модуля относительной скорости и приведён на рисунке 3.51.

Рис. 3.51

Отметим, что модуль силы трения скольжения Fтр.ск обычно меньше модуля силы реакции опоры N. Поэтому коэффициент трения скольжения меньше единицы. По этой причине любое тело легче перемещать волоком, чем поднимать или переносить 3.

3 Существует ещё один вид сил трения — силы трения качения. Они препятствуют движению тела в том случае, когда оно не скользит по поверхности другого тела, а, подобно шарику или цилиндру, катится.

Причина возникновения силы трения качения — деформация катка и опорной поверхности. В большинстве случаев сила трения качения значительно меньше силы трения скольжения, и поэтому качение является распространённым видом движения в технике.

Роль сил трения.

Роль сил трения не сводится только к тому, чтобы тормозить движение тел. В ряде важных случаев движение не могло бы возникнуть без действия сил трения. Это можно проиллюстрировать на примере движущегося автомобиля (рис. 3.52).

Рис. 3.52

Сила трения 2, действующая со стороны земли на ведомые колёса, и сила сопротивления воздуха 3 направлены в сторону, противоположную движению автомобиля, и, следовательно, могут его затормозить. Единственной внешней силой, способной увеличить скорость движения автомобиля, является сила трения покоя 1, действующая на ведущие колёса. Не будь этой силы, автомобиль буксовал бы на месте, несмотря на вращение ведущих колёс.

Вопросы:

1. Как возникают силы трения?

2. Какие виды сил трения вам известны? Приведите примеры.

3. Какую силу называют:

а) силой трения покоя;

б) силой трения скольжения?

4. От чего зависит максимальная сила трения покоя?

5. Что характеризует коэффициент трения покоя?

Вопросы для обсуждения:

1. Колесо автомобиля буксует (рис. 3.53). Куда направлена сила трения скольжения между колёсами и дорогой относительно:

а) колеса;

б) дороги?

Куда направлена сила упругости опоры (дороги)?

Рис. 3.53

2. Книга прижата к стене (рис. 3.54). Изобразите силы тяжести и трения покоя, действующие на книгу.

Рис. 3.54


Пример решения задачи

По наклонной плоскости спускают брусок на канате. Масса бруска равна 5 кг. В конце пути брусок тормозят, придерживая канат. Найдите силу натяжения каната при торможении бруска, если его скорость перед торможением равна 2 м/с, а время торможения составляет 5 с. Коэффициент трения бруска о поверхность горы равен 0,2, наклонная плоскость образует с горизонтом угол 30°.

Запишем уравнение движения для рассматриваемого случая:

Спроецируем это уравнение на оси X и Y.

Запишем необходимые формулы: .

Отсюда модуль силы натяжения каната:

C учётом числовых данных получим:

Ответ: T ≈ 18 H.

Упражнения:

1. Тело лежит на наклонной плоскости, составляющей с горизонтом угол, равный 30°. При каком предельном коэффициенте трения покоя тела о поверхность оно может начать скользить по наклонной плоскости?

2. Брусок массой 0,5 кг лежит на горизонтальной плоскости. На него действует сила в горизонтальном направлении. Определите модуль силы трения, действующей на брусок, если: a) F = 0,5 Н; б) F = 1 Н; в) F = 2 Н. Коэффициент трения скольжения бруска о плоскость равен 0,2.

3. Два тела массами 5 кг и 2 кг, связанные между собой невесомой и нерастяжимой нитью, движутся по горизонтальной плоскости под действием силы, равной 40 Н. Сила приложена к телу массой 5 кг и направлена под углом 30° к горизонту. Определите модули ускорений тел и модуль силы натяжения нити. Коэффициент трения скольжения тел о поверхность равен 0,2.

4. К вертикальной стене прижали доску с силой, равной 250 Н. Найдите наибольшую массу доски, которая не будет скользить по стене вниз, если коэффициент трения скольжения доски о стену равен 0,2.

5. Стальной магнит массой 50 г прилип к вертикальной стальной плите. Для равномерного скольжения магнита вниз прикладывают силу, модуль которой равен 1,5 H. C какой силой магнит прижимается к плите? Какую силу необходимо приложить, чтобы перемещать магнит вертикально вверх, если коэффициент трения скольжения магнита о плиту равен 0,2?

Предыдущая страницаСледующая страница




Error

Skip to main content

Sorry, the requested file could not be found

More information about this error

Jump to. .. Jump to…ВведениеПрограмма обученияКинематикаДинамикаЗаконы сохраненияСтатикаОсновы мол_физикиОсновы термодинамикиВзаимные превращения газ, жидкость и твёрдое тело_телЭлектростатикаПостоянный токМагнитное поле Механические колебанияЭлектромагнитные колебанияГеометрическая оптикаВолновая оптикаКвантовая оптикаОсновы спец_теор_отнАтом и атомное ядро_ядроМетодические рекомендацииВарианты контрольных работ по физике для абитуриентов, выпускников школКонтрольные работы по физике для абитуриентов, выпускников техникумов.Краткая инструкция и константыВариант тестирования 1Вариант тестирования 2Вариант тестирования 3Вариант тестирования 4

Drop the block here to make it dock

Skip Navigation

  • Home