4 что такое максимальная сила трения покоя. Задачи на силу трения с решениями
Каждому известно, как трудно передвигать тяжёлые предметы по какой-либо поверхности. Это связано с тем, что поверхность твёрдого тела не является идеально гладкой и содержит множество зазубрин (они имеют различные размеры, которые уменьшаются при шлифовке). При соприкосновении двух тел происходит сцепление зазубрин. Пусть к одному из тел приложена небольшая сила (F), направленная по касательной к соприкасающимся поверхностям. Под действием этой силы зазубрины будут деформироваться (изгибаться). Поэтому появится сила упругости, направленная вдоль соприкасающихся поверхностей. Сила упругости, действующая на тело, к которому приложена сила F, компенсирует её и тело останется в покое.
Сила трения покоя – сила, возникающая на границе соприкасающихся тел при отсутствии их относительного движения .
Сила трения покоя направлена по касательной к поверхности соприкасающихся тел (рис. 10) в сторону, противоположную силе F, и равна ей по величине: Fтр = - F.
При увеличении модуля силы F изгиб зацепившихся зазубрин будет возрастать и, в конце концов, они начнут ломаться и тело придёт в движение.
Сила трения скольжения – это сила, возникающая на границе соприкасающихся тел при их относительном движении .
Вектор силы трения скольжения направлен противоположно вектору скорости движения тела относительно поверхности, по которой оно скользит.
Тело, скользящее по твёрдой поверхности, прижимается к ней силой тяжести Р, направленной по нормали. В результате этого поверхность прогибается и появляется сила упругости N (сила нормального давления или реакция опоры), которая компенсирует прижимающую силу Р (N = - P).
Чем больше сила N, тем глубже сцепление зазубрин и тем труднее их сломать. Опыт показывает, что модуль силы трения скольжения пропорционален силе нормального давления:
Безразмерный коэффициент μ называется коэффициентом трения скольжения. Он зависит от материалов соприкасающихся поверхностей и степени их шлифовки. Например, при передвижении на лыжах коэффициент трения зависит от качества смазки (современные дорогостоящие смазки), поверхности лыжни (мягкая, сыпучая, уплотнённая, оледенелая) тем или иным состоянием снега в зависимости от температуры и влажности воздуха и др. Большое количество переменных факторов делает сам коэффициент непостоянным. Если коэффициент трения лежит в пределах 0,045 – 0, 055 скольжение считается хорошим.
В таблице приведены значения коэффициента трения скольжения для различных соприкасающихся тел.
Коэффициенты трения скольжения для различных случаев
Роль силы трения во многих случаях позитивна. Именно благодаря этой силе возможно передвижение человека, животных и наземного транспорта. Так, при ходьбе человек, напрягая мышцы опорной ноги, отталкивается от земли, стараясь сдвинуть подошву назад. Этому препятствует сила трения покоя направленная в обратную сторону – вперёд (рис. 11).
Различают трение внешнее и внутреннее .
Внешнее трение возникает при относительном перемещении двух соприкасающихся твердых тел (трение скольжения или трение покоя).Внутреннее трение наблюдается при относительном перемещении частей одного и того же сплошного тела (например, жидкость или газ).
Различают сухое и жидкое (или вязкое ) трение.
Сухое трение возникает между поверхностями твердых тел в отсутствие смазки.
Жидким (вязким) называется трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой или ее слоями.Сухое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения .
Рассмотрим законы сухого трения (рис. 4.5).
|
Рис. 4.5 |
 Рис. 4.6 |
Подействуем на тело, лежащее на неподвижной плоскости, внешней силой , постепенно увеличивая ее модуль. Вначале брусок будет оставаться неподвижным, значит, внешняя сила уравновешивается некоторой силой , направленной по касательной к трущейся поверхности, противоположной силе . В этом случае и есть сила трения покоя.
Установлено, что максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения тел и приблизительно пропорциональна модулю силы нормального давления N :
μ 0 – коэффициент трения покоя , зависящий от природы и состояния трущихся поверхностей.
Когда модуль внешней силы, а следовательно, и модуль силы трения покоя превысит значение F 0 , тело начнет скользить по опоре – трение покоя F тр.пок сменится трением скольжения F ск (рис. 4.6):
| F тр = μ N , | (4.4.1) |
Где μ – коэффициент трения скольжения.
Трение качения возникает между шарообразным телом и поверхностью, по которой оно катится. Сила трения качения подчиняется тем же законам, что и сила трения скольжения, но коэффициент трения μ ; здесь значительно меньше.
Подробнее рассмотрим силу трения скольжения на наклонной плоскости (рис. 4.7).
На тело, находящееся на наклонной плоскости с сухим трением, действуют три силы: сила тяжести , нормальная сила реакции опоры и сила сухого трения . Сила есть равнодействующая сил и ; она направлена вниз, вдоль наклонной плоскости. Из рис. 4.7 видно, что
| F = mg sin α, N = mg cos α. |
 Рис. 4.7 |
– тело остается неподвижным на наклонной плоскости. Максимальный угол
наклона α определяется из условия (F
тр) max = F
или μ mg
cosα = mg
sinα, следовательно,
tg α max = μ, где μ – коэффициент сухого трения.
F
тр = μN
= mg
cosα,
F = mg
sinα.
При α > α max тело будет скатываться с ускорением
a = g
(sinα - μ cosα),
F
ск = ma
= F - F
тр.
Если дополнительная сила F вн, направленная вдоль наклонной плоскости, приложена к телу, то критический угол α max и ускорение тела будут зависеть от величины и направления этой внешней силы.
Сила трения (Fтр.) - это сила, возникающая при контакте поверхностей двух тел и препятствующая их относительному перемещению. Она появляется за счёт электромагнитных сил, возникающих атомами и молекулами в месте контакта этих двух объектов.
Чтобы остановить движущийся объект, сила должна действовать в противоположную по отношению к направлению движения сторону. Например, если толкнуть книгу через стол, то она начнёт движение. Сила, с которой вы воздействовали на книгу, будет перемещать её. Книга скользит, затем замедляется и останавливается из-за влияния силы трения.
Особенности сил трения
Трение, о котором говорилось выше, проявляющееся при движении объектов называют внешним или сухим. Но оно может существовать и между частями или слоями одного объекта (жидкого или газообразного), такой вид называют внутренним.
Главной особенностью назовём зависимость трения от скорости относительного движения тел.
Существуют и другие характерные особенности:
- возникновение при контакте двух движущихся тел поверхностями;
- её действие параллельно области соприкосновения;
- направлена противоположно вектору скорости тела;
- зависит от качества поверхностей (гладкие или шероховатые), взаимодействующих объектов;
- форма или размер объекта, движущегося в газе или жидкости, влияют на величину силы трения.
Виды трения
Выделяют несколько видов. Рассмотрим их различия. На книгу, скользящую по столу, действует трение скольжения.
Сила трения скольжения
Где N - сила реакции опоры.
Обратите внимание на некоторые ситуации:
Если человек едет на велосипеде, то трение, возникающее во время контакта колеса с дорогой - трение качения. Такой вид силы значительно меньше по величине силы трения скольжения.
Сила трения качения
Существенно меньшие значения величины такого вида силы используют люди, используя колесо, ролики и шариковые подшипники в различных движущихся частях устройств.
Шарль Огюстен Кулон в своей работе по теории трения предложил вычислять силу трения качения следующим образом:
,
μ - коэффициент трения.
Смазка, чаще всего в виде тонкого слоя жидкости, уменьшает трение.
Жидкости или газы - это особые среды, в которых тоже проявляется данный вид сил. В этих средах трение проявляется только во время перемещения объекта. Нельзя говорить о силе трения покоя в данных средах.
Сила трения в жидкостях и газах
Такой вид силы называют силой сопротивления среды. Она замедляет движение объекта. Более обтекаемая форма объекта влияет на величину силы сопротивления - она значительно уменьшается. Поэтому в судостроении используются обтекаемые формы корпусов кораблей или подводных лодок.
Сила сопротивления среды зависит от:
- геометрических размеров и формы объекта;
- вязкости жидкой или газообразной среды;
- состояния поверхности объекта;
- скорости объекта относительно той среды, в которой он находится.
Каждый из нас знаком с проявлением силы трения. Действительно, любое движение в повседневной жизни, будь то ходьба человека или перемещение транспортного средства, невозможно без участия этой силы. В физике принято изучать три В данной статье рассмотрим один из них, разберемся, что собой представляет трение покоя.
Брусок на горизонтальной поверхности
Прежде чем переходить к ответам на вопросы, что такое сила трения покоя и чему равна она, рассмотрим простой случай с бруском, который лежит на горизонтальной поверхности.
Проанализируем, какие силы действуют на брусок. Во-первых, это вес самого предмета. Обозначим его буквой P. Он направлен вертикально вниз. Во-вторых, это реакция опоры N. Она направлена вертикально вверх. Второй закон Ньютона для рассматриваемого случая запишется в таком виде:
Знак минус здесь отражает противоположные направления векторов веса и реакции опоры. Поскольку брусок покоится, то величина a равна нулю. Последнее означает, что:
Реакция опоры уравновешивает вес тела и равна ему по абсолютной величине.
Действующая внешняя сила на брусок на горизонтальной поверхности
Теперь к описанной выше ситуации добавим еще одну действующую силу. Предположим, что человек начал толкать брусок вдоль горизонтальной поверхности. Обозначим эту силу буквой F. Можно заметить удивительную ситуацию: если сила F невелика, то несмотря на ее действие, брусок продолжает покоиться на поверхности. Вес тела и реакция опоры направлены перпендикулярно поверхности, поэтому их горизонтальные проекции равны нулю. Иными словами, силы P и N не могут оказать никакого противодействия величине F. В таком случае, почему брусок остается в состоянии покоя и не движется?
Очевидно, что должна существовать сила, которая направлена против силы F. Этой силой является трение покоя. Она направлена против F вдоль горизонтальной поверхности. Действует она в области контакта нижней грани бруска и поверхности. Обозначим ее символом F t . Закон Ньютона для горизонтальной проекции запишется в виде:
Таким образом, модуль силы трения покоя всегда равен абсолютной величине внешних сил, действующих вдоль горизонтальной поверхности.
Начало движения бруска
Чтобы записать формулу трения покоя, продолжим начатый в предыдущих пунктах статьи эксперимент. Будем увеличивать абсолютное значение внешней силы F. Брусок какое-то время еще будет оставаться в покое, но наступит момент, когда он начнет двигаться. В этот покоя приобретет максимальное значение.
Чтобы найти это максимальное значение, возьмем еще один точно такой же брусок, как и первый, и положим его сверху. Площадь контакта бруска с поверхностью не изменилась, однако его вес увеличился вдвое. Экспериментально было установлено, что сила F отрыва бруска от поверхности также увеличилась вдвое. Этот факт позволил записать следующую формулу трения покоя:
То есть максимальная величина силы трения оказывается пропорциональной весу тела P, где в качестве коэффициента пропорциональности выступает параметр µ s . Величина µ s называется коэффициентом трения покоя.
Поскольку вес тела в проведенном эксперименте равен силе реакции опоры N, то формулу для F t можно переписать так:
В отличие от предыдущего, это выражение можно использовать всегда, даже когда тело находится на наклонной плоскости. Модуль силы трения покоя прямо пропорционален с которой поверхность действует на тело.
Физические причины возникновения силы Ft
Вопрос, почему появляется трение покоя, является сложным и требует рассмотрения контакта между телами на микроскопическом и атомарном уровне.
В общем случае можно назвать две физические причины возникновения силы F t:
- Механическое взаимодействие между пиками и впадинами.
- Физико-химическое взаимодействие между атомами и молекулами тел.
Насколько бы гладкой ни была любая поверхность, она обладает неровностями и неоднородностями. Грубо эти неоднородности можно представить в виде микроскопических пиков и впадин. Когда пик одного тела попадает во впадину другого тела, то происходит механическое сцепление между этими телами. Огромное число микроскопических сцепок является одной из причин появления трения покоя.
Вторая причина заключается в физико-химическом взаимодействии между молекулами или атомами, из которых состоят тела. Известно, когда два нейтральных атома приближаются друг к другу, то между ними могут возникать некоторые электрохимические взаимодействия, например, диполь-дипольные или ван-дер-ваальсовые. В момент начала движения брусок вынужден преодолевать эти взаимодействия, чтобы оторваться от поверхности.
Особенности силы Ft
Выше уже было отмечено, чему равна сила трения покоя максимальная, а также указано ее направление действия. Здесь перечислим другие характеристики величины F t .
Трение покоя не зависит от площади контакта. Она определяется исключительно Чем больше площадь контакта, тем меньше деформация микроскопических пиков и впадин, однако тем больше их количество. Этот интуитивный факт объясняет, почему максимальная величина F t не изменится, если брусок перевернуть на грань с меньшей площадью.
Трение покоя и трение скольжения имеют одну и ту же природу, описываются одинаковыми формулами, однако вторая всегда меньше, чем первая. Трение скольжения появляется, когда брусок начинает движение по поверхности.
Сила F t в большинстве случаев является неизвестной величиной. Формула, которая приведена выше для нее, соответствует максимальному значению F t в момент начала движения бруска. Чтобы яснее понять названный факт, ниже приведен график зависимости силы F t от внешнего воздействия F.
Видно, что с возрастанием F трение покоя растет линейно, достигает максимума, а затем уменьшается, когда тело начинает движение. Во время движения говорить о силе F t уже нельзя, поскольку ее заменяет трение скольжения.
Наконец, последней важной особенностью силы F t является то, что она не зависит от скорости перемещения (при относительных больших скоростях F t уменьшается).
Коэффициент трения µs
Так как в формуле для модуля силы трения фигурирует величина µ s , следует сказать о ней несколько слов.
Коэффициент трения µ s является уникальной характеристикой двух поверхностей. Он не зависит от веса тела, его определяют экспериментально. Например, для пары дерево-дерево он изменяется от 0,25 до 0,5 в зависимости от типа дерева и качества обработки поверхности трущихся тел. Для смазанной воском деревянной поверхности на мокром снегу µ s = 0,14, а для человеческих суставов этот коэффициент принимает весьма низкие значения (≈0,01).
Какое бы значение ни имел µ s для рассматриваемой пары материалов, аналогичный коэффициент трения скольжения µ k будет всегда меньше. Например, при скольжении дерева по дереву он равен 0,2, а для суставов человека не превышает величины 0,003.
Брусок на наклонной поверхности: расчет силы Ft
Первая задача является достаточно простой. Предположим, что на деревянной поверхности лежит брусок из дерева. Его масса равна 1,5 кг. Поверхность наклонена под углом 15 o к горизонту. Необходимо определить силу трения покоя, если известно, что брусок не движется.
Подвох этой задачи заключается в том, что многие начинают вычислять реакцию опоры, а затем, используя справочные данные для коэффициента трения µ s , пользуются приведенной выше формулой для определения максимального значения F t . Однако в данном случае F t не является максимальной. Ее модуль равен лишь внешней силе, которая стремится сдвинуть брусок с места вниз по плоскости. Эта сила равна:
Тогда сила трения F t будет равна величине F. Подставляя данные в равенство, получаем ответ: сила трения покоя на наклонной плоскости F t = 3,81 ньютона.
Брусок на наклонной поверхности: расчет максимального угла наклона
Теперь решим такую задачу: деревянный брусок находится на деревянной наклонной плоскости. Полагая коэффициент трения равным 0,4, необходимо найти максимальный угол наклона α плоскости к горизонту, при котором брусок начнет скользить.
Скольжение начнется, когда проекция веса тела на плоскость станет равной максимальной силе трения покоя. Запишем соответствующее условие:
m*g*sin(α) = µ s *m*g*cos(α) =>
tg(α) = µ s =>
α = arctg(µ s).
Подставляя в последнее уравнение значение µ s = 0,4, получаем α = 21,8 o .
Тема: Сила трения
Цель урока:
1.Ввести понятие силы трения.
2.Познакомить учащихся с особенностями силы трения
3.Показать роль трения (полезную и вредную).
4.Воспитание любознательности.
5. Развитие кругозора.
Орг. момент.
На магнитной доске
F = F 1 – F 2 
У каждого ученика на столе сигнальные карточки с числами 6, 2, 0
Вопрос: Чему равна равнодействующая сила в каждом случае?
Дети сигнализируют ответ.
Тему урока поможет определить рассказ:
Сон Вовки.
Всю ночь я спал неспокойно. Одеяло то и дело падало с кровати на пол и поднять его было невероятно трудно -оно непременно старалось выскользнуть из рук. Все же, наконец, я уснул, но проснувшись утром, не узнал своей комнаты, Оказывается, я спал на полу в углу, где почему-то сгрудились все вещи. Очевидно, исчезло трение, поэтому я упал с кровати, а все вещи под действием силы тяжести двинулись в один угол: там пол был немного ниже. Я попробовал было встать, но, поднявшись, тут же упал. После неоднократных, очень неудачных попыток встать, я пришёл к выводу, что нет ничего вернее, чем перебираться на четвереньках. Правда, руки и ноги все время разъезжались, но всё-таки я кое-как добрался до умывальника и в удивлении остановился: вода сильной струёй била из крана. Ручка крана оказалась почему-то очень скользкой, и я с большим трудом завинтил было кран, но стоило мне отпустить руку, как кран тотчас же развинтился, и вода полилась прежним напором. Решил я умыться. О, это оказалось очень сложным делом! Сколько я ни старался взять мыло в руки, оно, как бы дразня меня, крутилось в мыльнице, кстати, тоже крутящейся на полочке и определенно не хотело поддаваться. Махнув рукой, я сунул руки под струю воды и почувствовал резкий толчок, от которого едва не упал. Все-таки я умылся, хотя и без мыла. Но совсем приуныл, когда обнаружил, что, как бы туго ни затягивал я ремень в брюках, они все норовили свалиться, а пиджак тоже все время сползал с плеч. Так же плохо было и с ботинками. Никакими хитростями нельзя было завязать шнурки, мгновенно развязывались сложные, морские узлы. Случайно подвернулся кусок проволоки, которую я продел я продел в дырочки для шнурков и закрутил. С большей осторожностью, передвигая ноги так, как ходят на лыжах, я направился в кухню. И здесь меня встретили неожиданности. Безуспешно я пытался взять нож, чтобы отрезать ломтик хлеба; нож вел себя примерно так же, как мыло при умывании. Пришлось, навалившись всем телом на буханку и прижав ее руками к груди, откусывать хлеб прямо от буханки, не меняя положения, ибо при малейшем движении буханка стремилась выскользнуть из рук. Молоко пришлось пить по-кошачьи: стакан взять в руку было абсолютно невозможно. Как я был счастлив, когда снова появилось ОНО!
О чем речь?
Правильно, запишите, пожалуйста, тему урока в тетради.
Представьте, что вы катаетесь на велосипеде. Вы разогнались, а затем перестали крутить педали велосипеда. Какое-то время велосипед ещё продолжает двигаться, а затем останавливается. Что ему мешает двигаться дальше?
При движении одного тела по поверхности другого возникает сила трения.
1.Если одно тело катится по поверхности другого, возникает сила трения качения.
Демонстрация. Каток. Примеры: При движении колес велосипеда, самолета, машины, при перекатывании круглых брёвен или бочек по земле.
2.Если одно тело скользит по поверхности другого, возникает сила трения скольжения
Демонстрация. Брусок скользит по трибометру. Примеры Движение саней или лыж по снегу.
3. Если одно тело покоится по поверхности другого, возникает сила трения покоя.
Демонстрация. Горка песка не рассыпается. Примеры Удерживается гвоздь, вбитый в стенку, не развязывается бант.
Какая же из приведенных сил больше? Меньше?
Фронтальный эксперимент. Динамометр, брусок, каток, трибометр. Измерение сил трения покоя, качения, скольжения динамометром. Сформулируйте вывод.
Сила трения всегда направлена против движения.
Примеры:
Посмотрите внимательно на рисунок на доске. Закройте глазки. Попытайтесь мысленно нарисовать рисунок. Откройте глаза. Посмотрите ещё раз на схематическое изображение силы трения. Я закрываю доску. Попробуйте воспроизвести рисунок в тетради.
Открываю доску. Покажите сигнальной карточкой (с одной стороны-зелёного; с другой-красного цвета) у кого не было ни одной ошибки.
Работа с учебником. По тексту найти причину трения.
Ответ: шероховатость поверхности, взаимное притяжение молекул
Запишем в тетради:
Сила трения зависит от материала соприкасающихся тел, от степени шероховатости поверхности.
Сила трения НЕ зависит от площади соприкасающихся тел.
Объясните пословицы:
Сухая ложка рот дерёт
Скрипит как немазаная телега
Скользкий, как налим
Идёт как по маслу
Отгадайте загадки:
На красных лапках гусь тяжёлый,
Задумав плыть по лону вод,
Ступает бережно на лёд,
Скользит и падает…
Почему падает гусь?
Мальчишек радостный народ
Коньками звучно режет лёд
Почему коньки должны резать лёд?
В гололедицу зимой
Над замерзшею водой
Чья-то добрая рука
Посыпает слой песка.
Все скорее отвечают
Для чего так поступают?
4.Я хотела б очень знать
Почему живую рыбу
Очень трудно удержать?
Запись в тетрадь:
Уменьшают силу трения шлифовка, смазка, уменьшение нагрузки.
Увеличивают силу трения использование специальных материалов, увеличение нагрузки.
Творческое Д/З Написать сочинение «Что было бы, если бы не было силы трения»
Информация для расширения кругозора обучающихся.
Материал для дополнительного чтения распечатать на каждый стол.
В жизни многих растений трение играет положительную роль. Например, горох, бобы цепляются за опоры, удерживаются на них и тянутся к свету. Трение здесь создается за счет того, что стебли многократно обвивают опоры и очень плотно прилегают к ним.
У растений, имеющих корнеплоды, такие, как морковь, свекла, репа, сила трения о грунт способствует удержанию их в почве. Поэтому так трудно вытащить из земли большую свеклу, редьку или репу.
Таким растениям, как репейник, трение помогает распространять семена, имеющие колючки с небольшими крючками на концах. Эти колючки зацепляются за шерсть животных и вместе с ними перемещаются.
Семена же гороха, орехи благодаря своей шарообразной форме и малому трению качения перемещаются легко сами.
Тело рыб имеет обтекаемую форму и покрыто слизью, что позволяет им развивать при плавании большую скорость.
Щетинистый покров моржей, тюленей, морских львов помогает им передвигаться по суше и льдинам.
Чтобы увеличить сцепление с грунтом, стволами деревьев, на конечностях животных имеется целый ряд различных приспособлений: когти, острые края копыт, подковные шипы, тело пресмыкающихся покрыто бугорками и чешуйками.
Действие органов хватания (хватательные органы жуков, клешни рака; передние конечности и хвост некоторых пород обезьян; хобот слона) тоже тесно связано с трением.
