Рефераты и сочинения для учащихся

В окружающем нас мире существует множество физических явлений: гром и молния, дождь и град, электрический ток, трение… Именно трению и посвящён наш сегодняшний доклад. Почему возникает трение, на что влияет, от чего зависит сила трения? И, наконец, трение — это друг или враг?

Что такое сила трения?

Немного разбежавшись, можно лихо прокатиться по ледяной дорожке. Но попробуйте сделать это на обычном асфальте. Впрочем, и пробовать не стоит. Ничего не получится. Виновницей вашей неудачи станет очень большая сила трения. По этой же причине сложно сдвинуть с места массивный стол или, скажем, пианино.

В месте соприкосновения двух тел всегда возникает взаимодействие, которое препятствует движению одного тела по поверхности другого. Его и называют трением. А величину этого взаимодействия — силой трения.

Виды сил трения

Представим себе, что вам надо передвинуть тяжелый шкаф. Вашей силы явно не хватает. Увеличим «сдвигающую» силу. Одновременно увеличивается и сила трения покоя. И направлена она в сторону противоположную движения шкафа. Наконец, «сдвигающая» сила «побеждает» и шкаф трогается с места. Теперь в свои права вступает сила трения скольжения. Но она меньше силы трения покоя и дальше шкаф передвигать значительно легче.

Вам, конечно, приходилось наблюдать, как 2-3 человека откатывают в сторону тяжелый автомобиль с внезапно заглохшим двигателем. Люди, толкающие автомобиль, никакие не силачи, просто на колеса автомобиля действует сила трения качения. Этот вид трения возникает при перекатывании одного тела по поверхности другого. Может катиться шарик, круглый или гранёный карандаш, колеса железнодорожного состава и т. д. Этот вид трения гораздо меньше силы трения скольжения. Поэтому совсем легко передвигать тяжелую мебель, если она снабжена колёсиками.

Но, и в этом случае сила трения направлена против движения тела, следовательно, уменьшает скорость тела. Если бы не её «вредный характер», разогнавшись на велосипеде или роликах, можно было бы наслаждаться ездой бесконечно долго. По этой же причине автомобиль с выключенным двигателем ещё какое-то время будет двигаться по инерции, а затем остановится.

Итак, запоминаем, различают 3 вида сил трения:

• трение скольжения;
• трение качения;
• трение покоя.

Быстрота изменения скорости называется ускорением. Но, поскольку, сила трения замедляет движение, то это ускорение будет со знаком «минус». Правильно будет сказать, под действием трения тело движется с замедлением.

Какова природа трения

Если рассмотреть гладкую поверхность полированного стола или льда через лупу (увеличительное стекло), то вы увидите крохотные шероховатости, за которые и цепляется тело, скользящее или катящееся по его поверхности. Ведь подобные выступы есть и у тела, движущегося по этим поверхностям.

В точках соприкосновения молекулы настолько сближаются, что начинают притягиваться друг к другу. Но тело продолжает движение, атомы удаляются друг от друга, сцепки между ними рвутся. Это приводит в колебание освободившиеся от притяжения атомы. Примерно так, как колеблется освобожденная от растяжения пружина. Мы же воспринимаем эти колебания молекул как нагревание. Вот почему трение всегда сопровождается повышением температуры соприкасающихся поверхностей.

Значит, существуют две причины, вызывающие это явление:

• неровности на поверхности соприкасающихся тел;
• силы межмолекулярного притяжения.

От чего зависит сила трения

Вероятно, вам приходилось замечать, резкое торможение санок, если они съезжают на участок, посыпанный песком. И ещё одно интересное наблюдение, когда на санках находится один человек, они проделают, съехав с горки, один путь. А если двое друзей будут съезжать вместе, санки остановятся быстрее. Следовательно, сила трения:

• зависит от материала соприкасающихся поверхностей;
• кроме того, трение возрастает с увеличением веса тела;
• действует в сторону противоположную движению.

Замечательная наука физика еще и тем хороша, что многие зависимости можно выразить не только словами, но и в виде специальных знаков (формул). Для силы трения это выглядит так:

Fтр = kN

где:

Fтр — сила трения.

k — коэффициент трения, который отражает зависимость силы трения от материала и чистоты его обработки. Скажем, если металл катится по металлу k=0,18, если вы мчитесь на коньках по льду k= 0,02 (коэффициент трения всегда меньше единицы);

N — это сила, действующая на опору. Если тело находится на горизонтальной поверхности, эта сила равна весу тела. Для наклонной плоскости она меньше веса и зависит от угла наклона. Чем круче горка, тем легче с нее скатиться и дольше можно проехать.

А, высчитав по этой формуле силу трения покоя шкафа, мы узнаем какую силу нужно приложить, чтобы сдвинуть его с места.

Работа силы трения

Если на тело действует сила, под действием которой тело перемещается, то всегда совершается работа. У работы силы трения свои особенности: ведь она не вызывает движение, а препятствует ему. Поэтому, совершаемая ею работа, всегда будет отрицательной, т.е. со знаком «минус», в какую бы сторону не двигалось тело.

Трение — это друг или враг

Силы трения сопровождают нас повсюду, принося ощутимый вред и… огромную пользу. Вообразим, что исчезло трение. Изумленный наблюдатель увидел бы: как рушатся горы, сами по себе выкорчевываются из земли деревья, ураганные ветры и морские волны бесконечно властвуют над землей. Все тела сползают куда-то вниз, транспорт разваливается на отдельные детали, поскольку болты без трения не выполняют свою роль, невидимый безобразник развязал бы все шнурки и узлы, мебель, не удерживаемая силами трения, сползла в самый низкий угол комнаты.

Попытаемся убежать, спастись от этого хаоса, но без трения не сможем сделать, ни шагу. Ведь именно трение помогает нам при ходьбе отталкиваться от земли. Теперь понятно, почему зимой скользкие дороги посыпают песком….

И в то же время иногда трение наносит значительный вред. Люди научились уменьшать и увеличивать трение, извлекая из него огромную пользу. Например, для перетаскивания тяжелых грузов придумали колеса, заменив трение скольжение — качением, которое, значительно меньше трения скольжения.

Потому, что катящемуся телу не приходится цеплять множество мелких неровностей поверхности, как при скольжении тел. Затем снабдили колёса шинами с глубоким рисунком (протекторами).

А вы заметили, что все шины резиновые и чёрные?

Оказывается, резина хорошо удерживает колеса на дороге, а уголь, добавляемый в резину, придает ей чёрный цвет, нужную жёсткость и прочность. Кроме того, позволяет при авариях на дороге, измерить тормозной путь. Ведь при торможении резина оставляет четкий чёрный след.

При необходимости уменьшить трение, используют смазочные масла и сухую графитовую смазку. Замечательным изобретением явилось создание разного вида шарикоподшипников. Их применяют в самых различных механизмах от велосипеда до новейшего самолёта.

Бывает ли трение в жидкостях

Когда тело в воде неподвижно, то трение о воду не происходит. Но стоит ему начать движение, возникает трение, т. е. вода оказывает сопротивление движению в ней любых тел.

Значит, и берег, создавая трение, «тормозит» воду. А, так как трение воды о берег уменьшает её скорость, то на средину реки заплывать не стоит, ведь там течение гораздо сильнее. Рыбы и морские животные имеют такую форму, чтобы трение их тел о воду было минимальным.

Такую же обтекаемость конструкторы придают и подводным лодкам.

Наше знакомство с другими природными явлениями будет продолжаться. До новых встреч, друзья!

Автор: Драчёва Светлана Семёновна

---

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте.

А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:

---

Сила трения

Содержание

Введение

История
возникновения силы трения

Современная
картина трения

Сила
трения

Виды
сил трения

Способы
уменьшения трения

Вредное
и полезное трение

Трение
в жизни растений и животных

Вывод

Список
литературы

Приложение

Введение

С трением мы сталкиваемся на каждом шагу. Но,
несмотря на ту большую роль, которую играет трение в нашей жизни, до сих пор не
создана достаточно полная картина возникновения трения. Это связано даже не с
тем, что трение имеет сложную природу, а скорее с тем, что опыты с трением
очень чувствительны к обработке поверхности и поэтому трудно воспроизводимы.

Когда говорят о трении, различают три несколько
отличных физических явления: сопротивление при движении тела в жидкости или
газе его называют жидким трением; сопротивление, возникающее, когда тело
скользит по какой-нибудь поверхности, – трение скольжения, или сухое трение;
сопротивление, возникающее при качении тела, – трение качения.

История возникновения силы трения

Первая формулировка силы трения приписывается
Леонардо да Винчи. Он утверждал, что сила трения, возникающая при контакте тела
с поверхностью другого тела, пропорциональна нагрузке (силе прижатия),
направлена против направления движения и не зависит от площади контакта.

Модель Леонардо была переоткрыта через 180 лет
Г. Амонтоном и получила окончательную формулировку в работах Кулона (1781).
Амонтон и Кулон ввели понятие коэффициента трения как отношения силы трения к
нагрузке, придав ему значение физической константы, полностью определяющей силу
трения для любой пары контактирующих материалов. До сих пор именно эта формула

тр = fтрP,

где P – сила прижатия, а Fтр – сила трения,
является единственной формулой, фигурирующей в учебниках по физике, а значения
коэффициента трения fтр для различных материалов (сталь по стали, сталь по
бронзе, чугун по коже и т.д.) входят в стандартные инженерные справочники и
служат базой для традиционных технических расчетов.

Однако уже в XIX веке стало ясно, что закон
Амонтона-Кулона не дает правильного описания силы трения, а коэффициенты трения
отнюдь не являются универсальными характеристиками. Прежде всего, было
отмечено, что коэффициенты трения зависят не только от того, какие материалы
контактируют, но и от того, насколько гладко обработаны контактирующие
поверхности. Выяснилось также, что сила статического трения отличается от силы
трения при движении. Чтобы напомнить, что обычно понимается под статическим
трением, представим схему простейшего эксперимента (рис. 1).

Будем пытаться сдвинуть с места тело, потянув за
трос с пружинным динамометром. При малом перемещении конца троса тело остается
на месте: силы, развиваемой пружиной динамометра, недостаточно. Обычно говорят,
что на контактирующих поверхностях развивается сила трения, уравновешивающая
приложенную силу. Постепенно увеличиваем перемещение и вместе с ним упругую
силу, приложенную к телу. В какой-то момент она оказывается достаточной для
того, чтобы стронуть тело с места. Зарегистрированное в этот момент показание
динамометра и называют обычно силой статического трения, характеризующего
предельные возможности неподвижного (статического) сцепления тел. Если мы будем
продолжать медленно вытягивать трос, то тело поедет по поверхности.
Оказывается, что регистрируемые в ходе движения показания динамометра будут не
такими, как в момент страгивания. Обычно сила трения при медленном движении
меньше силы страгивания, статического трения. Кулон изучал именно силу трения
при медленном взаимном перемещении контактирующих тел и установил, что эта сила
не зависит от величины скорости, а только от направления движения (всегда
направлена против движения.

Конец XIX века ознаменовался замечательными
достижениями в исследовании вязкости, то есть трения в жидкостях. Наверное, с
доисторических времен известно, что смазанные жиром или даже просто смоченные
водой поверхности скользят значительно легче. Смазка трущихся поверхностей
применялась с момента зарождения техники, но только О. Рейнольдс в 1886 году
дал первую теорию смазки.

При наличии достаточно толстого слоя смазки,
обеспечивающего отсутствие непосредственного контакта трущихся поверхностей,
сила трения определяется только свойствами смазочного слоя. Сила статического
трогания равна нулю, а с ростом скорости сила сопротивления движению
увеличивается. Если же смазки недостаточно, то действуют все три механизма:
сила статического сопротивления страгиванию с места, кулонова сила и сила
вязкого сопротивления.

Итак, к концу XIX века выяснилась картина
зависимости силы трения от скорости, представленная графиком (рис. 2, а). Но
уже на пороге XX века возникло сомнение в правильности этой картины при очень
малых скоростях. В 1902 году Штрибек опубликовал данные, свидетельствующие о
том, что при отсутствии смазки сила сопротивления не падает сразу с уровня силы
трогания до кулоновой силы, а возникает постепенное падение силы с ростом
скорости – эффект, противоположный гидродинамической вязкости. Этот факт был
многократно перепроверен в дальнейшем и теперь обычно именуется
штрибек-эффектом. Картина зависимости силы трения от скорости ( рис 2, б. ).

Быстро развивавшаяся техника XX века требовала
все большего внимания к исследованию трения. В 30-е годы исследования в области
трения стали настолько интенсивными, что потребовалось выделить их как
специальную науку – трибологию, лежащую на стыке механики, физики поверхностных
явлений и химии (создание новых смазочных материалов – дело химиков). Только в
США в этой области работают в настоящее время более 1000 исследователей, и в
мировой науке ежегодно публикуется более 700 статей.

Современная картина трения

Для того чтобы понять хотя бы основы трибологии,
следует, прежде всего, обратиться к топографии поверхностей контактирующих
между собой частей реальных механизмов. Эти поверхности никогда не являются
идеально плоскими, имеют микронеровности. Места выступов на одной поверхности
отнюдь не совпадают с местами выступов на другой. Как образно выразился один из
пионеров трибологии, Ф. Боуден, “наложение двух твердых тел одного на
другое подобно наложению швейцарских Альп на перевернутые австрийские Альпы –
площадь контакта оказывается очень малой”. Однако при сжатии остроконечные
“горные пики” пластически деформируются, и подлинная площадь контакта
увеличивается пропорционально приложенной нагрузке. Именно сопротивление
относительному сдвигу этих контактных зон и является основным источником трения
движения. Само сопротивление сдвигу при идеальном контакте определяется
межмолекулярным взаимодействием, зависящим от природы контактирующих
материалов.

Таким образом, объясняется влияние двух главных
факторов: нагрузки (силы прижатия) и свойств материалов. Однако имеются два
осложняющих обстоятельства. Во-первых, металлические поверхности на воздухе
быстро покрываются тонкой пленкой окислов, и фактически контакт осуществляется
не между чисто металлическими поверхностями, а между окисными пленками,
имеющими более низкое сопротивление сдвигу. Проникновение же любой жидкой или
пастообразной смазки вообще меняет картину контакта. Во-вторых, при
относительном сдвиге осуществляется не только скольжение по контактным
площадкам, но и упругое деформирование выступов, пиков. Выделим схематически
только два пика (практически наклон их склонов порядка 10?-20?, но для
наглядности они нарисованы на рис. 3 круче). При попытке сдвинуться в
горизонтальном направлении один пик начинает прогибать другой, то есть сначала
пытается сгладить дорогу, а потом уже скользить по ней. Ширина пиков мала
(порядка сотых долей миллиметра), и в пределах таких микросмещений главную роль
играет именно упругое сопротивление, то есть сила должна подчиняться закону
Гука, быть пропорциональной смещению. Иначе говоря, при микросмещениях
контактирующие поверхности оказываются как бы связанными многочисленными
пружинками. Но после того как верхний пик в ходе движения перевалит через
нижний (причем оба они сплющиваются), пружинка рвется вплоть до встречи с новым
препятствием. Таким образом, после приложения продольной силы, стремящейся
сдвинуть два тела, могут возникнуть следующие четыре основных режима: упругих
микросмещений, режим скольжения по площадкам контактов мягкого поверхностного
слоя (окисных пленок), режим , когда при большей скорости выдавливаемая жидкая
смазка создает подъемную силу, нарушающую большую часть прямых контактов и тем
самым снижающую силу трения, , когда прямые контакты вообще исчезают, одно тело
“плывет” над другим по смазочному слою и с увеличением скорости
возрастает вязкое сопротивление.

Сила трения

Трением называется сопротивление соприкасающихся
тел движению друг относительно друга. Трением сопровождается каждое механическое
движение, и это обстоятельство имеет существенное следствие в современном
техническом прогрессе.

Сила трения есть сила сопротивления движению
соприкасающихся тел друг относительно друга. Трение объясняется двумя
причинами: неровностями трущихся поверхностей тел и молекулярным
взаимодействием между ними. Если выйти за пределы механики, то следует сказать,
что силы трения имеют электромагнитное происхождение, как и силы упругости.
Каждая из указанных выше двух причин трения в разных случаях проявляет себя в
разной мере. Например, если соприкасающиеся поверхности твердых трущихся тел
имеют значительные неровности, то основная слагаемая в возникающей здесь силе
трения будет обусловлена именно данным обстоятельством, т.е. неровностью,
шероховатостью поверхностей трущихся тел. Тела, перемещающиеся с трением друг
относительно друга, должны соприкасаться поверхностями или двигаться одно в
среде другого.

Движение тел друг относительно друга может и не
возникнуть из-за наличия трения, если движущая сила меньше максимальной силы
трения покоя. Если соприкасающиеся поверхности твердых трущихся тел отлично
отшлифованы и гладки, то основная слагаемая возникающей при этом силы трения
будет определяться молекулярным сцеплением между трущимися поверхностями тел.

Рассмотрим более детально процесс возникновения
сил трения скольжения и покоя на стыке двух соприкасающихся тел. Если
посмотреть на поверхности тел под микроскопом, то будут видны микронеровности,
которые мы изобразим в увеличенном виде (рис.1,а)Рассмотрим взаимодействие
соприкасающихся тел на примере одной пары неровностей (гребень и впадина).

В случае, когда сила, пытающаяся вызвать
движение, отсутствует, характер взаимодействия на обоих склонах
микронеровностей аналогичный. При таком характере взаимодействия все горизонтальные
составляющие силы взаимодействия уравновешивают друг друга, а все вертикальные
просуммируются и составляют силу N (реакция опоры) (рис. 2, а).

Рис1, а

(Рис 1, б)

Иная картина взаимодействия тел
получается, когда на одно из тел начинает действовать сила. В этом случае точки
контакта будут преимущественно на левых по рисунку «склонах». Первое тело будет
давить на второе. Интенсивность этого давления характеризуется силой R”.
Второе тело в соответствии с третьим законом Ньютона будет действовать на
первое тело. Интенсивность этого действия характеризуется силой R (реакция
опоры). Силу R можно разложить на составляющие: силу N, направленную
перпендикулярно поверхности соприкосновения тел, и силу Fсц, направленную
против действия силы F (рис. 2, б).

(Рис 2, а)

(Рис 2, б)

После рассмотрения взаимодействия
тел следует обратить внимание на два момента:

) При взаимодействии двух тел в
соответствии с третьим законом Ньютона возникают две силы R и R”; силу R
для удобства ее учета при решении задач мы раскладываем на составляющие N и Fсц
(Fтр в случае движения).

) Силы N и FTp имеют одну и ту же
природу (электромагнитное взаимодействие); иначе и быть не могло, так как это
составляющие одной и той же силы R.

Весьма важное значение в современной
технике для снижения вредного влияния сил трения имеет замена трения скольжения
трением качения. Сила трения качения определяется как сила, необходимая для
равномерного прямолинейного качения тела по горизонтальной плоскости. Опытом
установлено, что сила трения качения вычисляется по формуле:

Где F-сила трения качения;
к-коэффициент трения качения; Р-сила давления катящегося тела на опору и
R-радиус катящегося тела.

Из практики очевидно, из формулы
ясно, что чем больше радиус катящегося тела, тем меньшее препятствие оказывают
ему неровности поверхности опоры
<#”870754.files/image006.gif”>,
приложенной к бруску параллельно поверхности его соприкосновения со столом,
брусок остаётся в покое. Это означает, что на брусок действует сила равная по
модулю внешней силе, но противоположно направленная. Эта сила является силой
трения покоя. Когда приложенная сила достигает максимального критического
значения, достаточного для разрыва связей между выступами, брусок начинает
скользить по столу. Максимальная сила трения покоя не зависит от площади
соприкосновения поверхности. По третьему закону Ньютона сила нормального
давления равна по модулю силе реакции опоры N.

Максимальная сила трения покоя  пропорциональна
силе нормального давления:

 ,где – коэффициент трения покоя.

Коэффициент трения покоя зависит от
характера обработки поверхности и от сочетания материалов, из которых состоят
соприкасающиеся тела. Качественная обработка гладких поверхностей контакта
приводит к увеличению числа притягивающихся атомов и соответственно к
увеличению коэффициента трения покоя.

Наблюдения показывают, что сила
трения покоя всегда направлена противоположно действующей на тело внешней силе,
стремящейся привести это тело в движение

До определенного момента сила трения
покоя увеличивается с возрастанием внешней силы, уравновешивая последнюю.
Максимальное значение силы трения покоя пропорционально модулю силы Fд
давления, производимого телом на опору

По третьему закону Ньютона сила Fд
давления тела на опору равна по модулю силе N реакции опоры. Поэтому
максимальная сила трения покоя пропорциональна силе реакции опоры. Для модулей
этих сил справедливо следующее соотношение:

п=fпN, (1)

где fп – безразмерный коэффициент
пропорциональности, называемый коэффициентом трения покоя. Значение этого
коэффициента зависит от материала и состояния трущихся поверхностей.

Определить значение коэффициента
трения покоя можно следующим образом. Пусть тело (плоский брусок) лежит на наклонной
плоскости АВ(рис. 3, рис 4). На него действуют три силы: сила тяжести F, сила
трения покоя Fп и сила реакции опоры N. Нормальная составляющая Fп силы тяжести
представляет собой силу давления Fд, производимого телом на опору, т. е.

Н=Fд. (2)

Тангенциальная составляющая Fт силы
тяжести представляет собой силу, стремящуюся сдвинуть тело вниз по наклонной
плоскости.

При малых углах наклона a сила Fт
уравновешивается силой трения покоя Fп и тело на наклонной плоскости покоится
(сила N реакции опоры по третьему закону Ньютона равна по модулю и
противоположна по направлению силе Fд, т. е. уравновешивает ее).

Будем увеличивать угол наклона a до
тех пор, пока тело не начнет скользить вниз по наклонной плоскости. В этот
момент

т=Fпmax (3)

Подставив в формулу (1) выражения
(2) и (3), получим

п=Fт/Fн (4)

Из рис. 3 видно, что

Fт=Fsin = mg sin; Fн=Fcos = mg cos.

Подставив эти значения Fт И Fн в
формулу (4), получим

Измерив угол , при
котором начинается скольжение тела, можно по вычислить значение коэффициента
трения покоя fп.

Рис 3.

Рис 4 трение покоя

Трения скольжения

Трение скольжения возникает при
относительном перемещении соприкасающихся тел.

Сила трения скольжения всегда
направлена в сторону, противоположную относительной скорости соприкасающихся
тел.

Когда одно тело начинает скользить
по поверхности другого тела, связи между атомами (молекулами) первоначально
неподвижных тел разрываются, трение уменьшается. При дальнейшем относительном
движении тел постоянно образуются новые связи между атомами. При этом сила
трения скольжения остаётся постоянной, несколько меньшей силы трения покоя. Как
и максимальная сила трения покоя, сила трения скольжения пропорциональна силе
нормального давления и, следовательно, силе реакции опоры:

где – коэффициент трения скольжения (), зависящий
от свойств соприкасающихся поверхностей.

Рис 5 трение скольжения

Трение качения

Одно из самых гениальных изобретений
человечества – колесо. Оно использовалось для транспортировки грузов ещё 5000
лет назад. Хорошо известно, что несравненно легче везти груз на тележке, чем
тащить его.

Когда колесо катиться без
проскальзывания по поверхности, молекулярные связи разрываются при подъё ме
участков колеса быстрее, чем при скольжении. Поэтому сила трения
<#”870754.files/image018.gif”>

,где – коэффициент трения качения.

Коэффициент трения качения много
меньше коэффициента трения скольжения:

<<.

Рис 6 трение качения

Способы уменьшения трения

сила трение скольжение
покой

В технике для уменьшения влияния сил
сухого трения между поверхностями вводят смазку (вязкую жидкость, создающую
тонкий слой между твёрдыми поверхностями).

Влияние смазки заключается в том,
что между трущимися поверхностями вводится слой вязкой жидкости, которая заполняет
все неровности поверхностей и, прилипая к ним, образует два трущихся слоя
жидкости .

Поэтому вместо трения двух твердых
поверхностей при смазке возникает внутреннее трение жидкости, которое
значительно меньше внешнего трения двух твердых поверхностей. Применение
смазочных масел уменьшает трение в 8-10 раз. Типичный пример значения смазки
представляет бег конькобежца на коньках. В результате действия силы со стороны
конькобежца на нож конька снег тает и под коньком появляется вода, которая
вновь замерзает, после того как пробежал конькобежец и исчезло давление. Однако
в механизмах вода для смазки не годится, поскольку вследствие малой вязкости
она выдавливалась бы из зазора неровностей между трущимися поверхностями.

Во всех машинах есть одна общая черта:
в любой из них что-нибудь обязательно вращается. И везде есть неразлучная
пара-ось и её подпорка – подшипник

Поскольку силы трения качения
значительно меньше сил трения скольжения, то в машинах и механизмах в
большинстве случаев подшипники скольжения заменяют подшипниками качения .

Подшипник состоит из двух колец.
Одно из них – внутреннее – плотно насажено на ось и вращается вместе с ней.
Другое наружное кольцо неподвижно зажато между основанием и крышкой подшипника.

Эти кольца – обоймы имеют на
обращенных друг к другу поверхностях выточенные канавки. Между обойм находятся
стальные шарики. При кручении подшипника шарики катятся по канавкам в обоймах.

Чем лучше отполированы поверхности
дорожек и шариков, тем меньше трение. Чтобы шарики не сбегались в одну кучу, их
разделяет сепаратор. Сепараторы обычно делаются пластиковые, стальные или
бронзовые.

При вращении в таком подшипнике
появляется трение качения. Потери на трение в шариковом подшипнике раз в 20-30
меньше, чем в подшипнике скольжения! Подшипники качения делают не только с
шариками, но и с роликами разной формы. Без подшипников качения современная
промышленность и транспорт были бы невозможны.

В настоящее время широко применяется
такой способ уменьшения трения при движении транспортных средств, как воздушная
подушка.

Воздушная подушка – это слой сжатого
воздуха под транспортным средством, который приподнимает его над поверхностью
воды или земли. Слой сжатого воздуха создаётся вентиляторами. Отсутствие трения
о поверхность позволяет снизить сопротивление движению. От высоты подъёма
зависит способность такого судна двигаться над различными препятствиями на суше
или над волнами на воде.

Первым идею подобной машины на
воздушной подушке высказал К.Э. Циолковский в 1927 году, в работе
«Сопротивление воздуха и скорый поезд». Это бесколесный экспресс, который
мчится над бетонной дорогой, опираясь на воздушную подушку – слой сжатого
воздуха.

Вредное и полезное трение

Трение может быть как вредным так и
полезным.

Трение тормозит движение; на
преодоление трения всех видов расходуется громадное количество ценного топлива.
Трение вызывает износ трущихся поверхностей: стираются подошвы, шины
автомобилей, детали машин. Вредное трение стараются уменьшить.

В каких-то случаях отсутствие трения
грозит большими неприятностями (например, торможение автомобилей происходит
только за счет сил трения, возникающих между колодками и барабаном), его
стараются увеличить, например, при ходьбе в гололед.

В повседневной жизни силы трения так
же играют как положительную, так и отрицательную роль, причем их проявления
разнообразны. На использовании статического трения основаны скрепление деталей
при помощи гвоздей, движение человека и автомобиля по земной поверхности. Можно
представить, какие возникли бы трудности при ходьбе, если бы не существовало
сил статического трения (например, при гололеде). Вообще говоря, если бы не
было сил трения, невозможно было бы удержать любой предмет в руке. Во многих
случаях роль сил трения наоборот отрицательна. Трение со временем разрушает
движущиеся детали, поэтому чем больше их в механизме, тем он менее долговечен.

Но бывают исключения, когда даже
если сила трения вредно, но не повреждает предмет или как то ему мешает. Такое
исключение песочные часы

Таким образом, трение бывает в
каких-то случаях полезным, а в каких-то вредным!

Трение в жизни растений и животных

В жизни многих растений трение
играет положительную роль. Например, лианы, хмель, горох, бобы и другие
вьющиеся растения благодаря трению могут цепляться за находящиеся поблизости
опоры, удерживаются на них и тянутся к свету. Между опорой и стеблем возникают
достаточно большое трение, т.к. стебли многократно обвивают опоры и очень
плотно прилегают к ним.

У растений, имеющих корнеплоды,
такие, как морковь, свекла, брюква, сила трения о грунт способствует удержанию
их в почве. С ростом корнеплода давление окружающей земли на него
увеличивается, а это значит, что сила трения тоже возрастает. 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.

Организмы многих живых существ
приспособились к трению, научились его уменьшать или увеличивать. 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.

У животных и человека образующие
сустав кости не касаются друг друга; они покрыты суставным хрящом, который
выполняет роль буфера между костными поверхностями .

А по краям хряща прикрепляется
синовиальная оболочка, в которой имеется жидкость, уменьшающая трение между
суставными поверхностями. Проблема трения и изнашивания в суставах решена
природой на таком уровне, о котором инженеры – трибологи могут пока только
мечтать. Ежедневные нагрузки, например, в тазобедренном суставе человека
превышают тысячу ньютонов при прыжках, а трение и изнашивание практически
отсутствует. В результате безотказная работа в течение всей жизни!

При действии же органов движения у
животных и человека трение проявляется как полезная сила.

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 .Ведь предмет или живое существо
будет тем прочнее схвачено, чем больше трение между ним и органом хватания.
Величина же силы трения находится в прямой зависимости от прижимающей силы.

У многих живых организмов существуют
приспособления, благодаря которым трение получается небольшим при движении в
одном направлении и резко увеличивается при движении в обратном направлении.
Это, например, шерсть и чешуйки, растущие наклонно к поверхности кожи. На этом
принципе основано движение дождевого червя

Щетинки, направленные назад,
свободно пропускают тело червя вперед, но тормозят обратное движение. При
удлинении тела головная часть продвигается вперед, а хвостовая остается на
месте, при сокращении головная часть задерживается, а хвостовая подтягивается к
ней.

Вывод

В этой работе мы попытались
разобраться в силе трения и значении этой силы в жизни человека. Если бы трение
внезапно исчезло из мира, множество обычных явлений протекало бы совершенно
иным образом. Никакие тела, будь они величиною с каменную глыбу или малы, как
песчинки, никогда не удержатся одно на другом: всё будет скользить и катиться,
пока не окажется на одном уровне. Не будь трения, Земля представляла бы шар без
неровностей, подобный росинке. К этому можно прибавить, что при отсутствии
трения гвозди и винты выскальзывали бы из стен, ни одной вещи нельзя было бы
удержать в руках, никакой вихрь никогда бы не прекращался, никакой звук не
умолкал бы, а звучал бы бесконечным эхом, неослабно отражаясь, например, от
стен комнаты. Поэтому значение силы трения трудно переоценить.

Список литературы

1.     Крагельский,
И.В. Развитие науки о трении/ И.В. Крагельский, В.С. Щедров. – М.: Изд-во АН
СССР, 1956. – 312 с

2.      Пенлёве,
П. Лекции о трении/ П. Пенлёве. – М.: Гостехиздат, 1954, -316 с.

.        Третьяков,
Е.М. Основные законы контактного сухого трения при упругой и пластической
деформации твёрдых тел / Е.М. Третьяков // Проблемы машиностроения и надёжности
машин. 2006. №2. – С. 47-59.

.        Заднепровский,
Р.П. О коэффициенте трения скольжения тел различного физического состояния /
Р.П. Заднепровский // Проблемы машиностроения и надёжности машин. 2006. №6. –
С. 60-66

.        Крагельский
И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М.:
Машиностроение, 1977. 526 с

.        Л.П.
Лисовский. “Трение в природе и технике”, журн. “Квант”

.        Дерягин
Б. В. Что такое трение? М.: Изд. АН СССР, 1963

Приложение

Задача №1.

Грузы массами М = 1 кг и m связаны лёгкой
нерастяжимой нитью, переброшенной через блок, по которому нить может скользить
без трения (см. рисунок). Груз массой М находится на шероховатой наклонной
плоскости (угол наклона плоскости к горизонту α = 30°, коэффициент
трения μ
= 0,3). Чему
равно максимальное значение массы m, при котором система грузов ещё не выходит
из первоначального состояния покоя?

 

Задача №2

Брусок массой m₁ = 1 кг лежит
на наклонной плоскости с углом при основании, равным α
= 53°. Коэффициент трения бруска с плоскостью равен μ
= 0,5. К бруску привязана невесомая нить, другой
конец которой перекинут через неподвижный идеальный блок. К этому концу нити
подвешивается груз массой m₂ = 1 кг. Определите, придет ли в
движение брусок при подвешивании груза. Если придет в движение, то в каком
направлении? (sin 53° = 0,8; cos 53° = 0,6)

Задача №3

Автомобиль совершает поворот на горизонтальной
дороге по дуге окружности радиуса 81 м. Какова максимальная скорость
автомобиля при коэффициенте трения автомобильных шин о дорогу 0,4?

Задача №4

Грузовой автомобиль со всеми ведущими осями
массой М = 4 т тянет за нерастяжимый трос вверх по уклону легковой автомобиль
массой m = 1 т, у которого выключен двигатель. С каким максимальным ускорением
могут двигаться автомобили, если угол уклона составляет α
= arcsin 0,1, а коэффициент трения между шинами грузового
автомобиля и дорогой μ = 0,2? Силой
трения качения, действующей на легковой автомобиль, пренебречь. Массой колес
пренебречь.

• Энциклопедия
• Разное
• Сила трения

В природе существует множество явлений, связанных с физикой. Это может быть гром и молнии, электрический ток, сила магнитов, трение и так далее. Последнее мы рассмотрим в сегодняшнем докладе.

Определение трения.

Представьте, что вы разбежались и прикатились по скользкой поверхности (например, по льду или паркету). Тяжело ходить, очень неудобно. А если пойти по асфальту или по обычной земле, то ходить можно, ноги не скользят. Что же влияет на это? Конечно же, сила трения.

Во время соприкосновения двух тел возникает взаимодействие между ними, тем самым препятствуя друг другу свободно передвигаться. Это и есть трение, а величина, которой измеряется — сила трения.

Виды сил.

Допустим, вам необходимо передвинуть холодильник. Но вашей силы не хватит, поэтому только своими силами не обойтись. Тут может помочь «сдвигающая» сила, вместе с которой увеличивается и, так называемая «сила покоя». После того, как объект тронулся с места, действует сила скольжения, облегчающая дальнейшее передвижение шкафа.

При толкании автомобиля, к примеру, двумя-тремя людьми, действует сила раскачки. Данный тип силы трения позволяет перекатываться одному телу по поверхности другого. Примеры применения могут быть разными, к примеру, передвижение поезда или перестановка мебели(у которой есть колесики).

Запоминаем 3 вида трения:

1. Сила скольжения

2. Сила качения

3. Сила покоя

Вычисление силы трения.

Fmp = k*N

Fmp – сила трения

k – коэффициент

N – воздействие на опору

В данной формуле можно выразить любую переменную, просто поставив вместо символов числа.

Итог.

Трение — как раз то, без чего сложно представить реальную жизнь. Мы ежедневно используем различные виду сил, которые позволяют нам передвигаться и двигать другие предметы. Сегодня мы рассмотрели основной материал по силе трения, изучаемый в 7 классе, но нам предстоит узнать больше, ведь данная тема затрагивается и в старших классах.

Доклад №2

В случае соприкосновения пары тел возникает реакция молекул и атомов соприкасающихся предметов. Например, по гладкой ровной поверхности легко катится шарик из пластмассы, но совершенно не движется липкая субстанция, потому что имеет другой состав тела, при касании с поверхностью в твердом состоянии не происходит реакции воздействия тел в одинаковом состоянии друг на друга. Материалы, из которых изготовлены предметы, имеют разную структуру и отличаются составом. Два тела входят в процесс соприкосновения благодаря силе трения. Предметы соприкасаются, и возникает реакция. Молекулы и атомы, из которых состоят тела, имеют свою природу и обладают зарядами. При обмене зарядами появляется сила трения. Подчиняется данное влияние закону Ньютона номер три, говорящему о соприкосновении 2-х тел и воздействии на них силы, одинаковой в модульном значении, но противоположной по направлению.

Сила трения сухого характера воздействует на объекты в твердом состоянии. Прослойки в виде газа или жидкости быть не должно из-за разности в составе тел. По жидкой глади не смогут двигаться предметы, но если из ванны вылить воду и опустить на дно мячик, он покатится. При прикосновении тел к поверхности, являющейся опорой, на предметы действует сухое трение в виде силы. Имеет место при относительном состоянии покоя. Сила сухого трения действует так же, как внешняя сила, но в другую обратную сторону, величины сил одинаковые. Высшего показателя не имеет сила в состоянии покоя тел. При наименьшей величине силы трения покоя, действует сила извне на предметы. Сила превратится в силу скольжения, взаимодействие будет направлено в противоположную сторону от двигательного воздействия. Явление будет зависеть от скорости тел. Величины являются относительными. Скольжение в форме силы по размеру подобно максимальной силе трения в спокойном состоянии. Давление на опору пропорционально скольжению. Скольжением в коэффициенте считается значение пропорциональности. Значение не имеет определенного размера, но оно менее единицы. На силу трения в вязком состоянии тел воздействует скорость тела. Размер пропорциональности имеет зависимость от формы, оболочки тела. Сила трения качения предметов мала, ею пренебрегают.   

7 класс

Сила трения

Доклад по физике

на тему: «Сила трения»

С трением мы сталкиваемся на каждом шагу. Вернее было бы сказать, что без трения мы и шагу ступить не можем. Но несмотря на ту большую роль, которую играет трение в нашей жизни, до сих пор не создана достаточно полная картина возникновения трения. Это связано даже не с тем, что трение имеет сложную природу, а скорее с тем, что опыты с трением очень чувствительны к обработке поверхности и поэтому трудно воспроизводимы. 

Когда говорят о трении, различают три несколько отличных физических явления: сопротивление при движении тела в жидкости или газе – его называют жидким трением; сопротивление, возникающее, когда тело скользит по какой-нибудь поверхности, – трение скольжения, или сухое трение; сопротивление, возникающее при качении тела, – трение качения.

Движению тела обычно препятствуют силы трения. Если соприкасаются поверхности твёрдых тел, их относительному движению мешают силы сухого трения. Характерной особенностью сухого трения является существование зоны застоя. Тело нельзя сдвинуть с места, пока абсолютная величина внешней силы не превысит определённого значения. До этого момента между поверхностями соприкасающихся тел действует сила трения покоя, которая уравновешивает внешнюю силу и растёт вместе с ней. Максимальное значение силы трения покоя определяется формулой 

|¦_{тр max| = µ |N |}

где - коэффициент трения, зависящий от свойств соприкасающихся поверхностей;

N – сила нормального давления.

Когда абсолютная величина внешней силы превышает значение |¦_{тр max|,} возникает относительное движение – проскальзывание. Сила трения скольжения обычно слабо зависит от скорости относительного движения, и при малых скоростях её можно считать равной |¦_{тр max|.}

Движению тела в жидкости и газе препятствует сила жидкого трения. Главное отличие жидкого трения от сухого – отсутствие зоны застоя. В жидкости или газе не возникает силы трения покоя, и поэтому даже малая внешняя сила способна вызвать движение тела.

Первые исследования трения, о которых мы знаем, были проведены Леонардо да Винчи примерно 500 лет назад. Он измерял силу трения, действующую на деревянные параллепипеды, скользящие по доске, причём, ставя бруски на разные грани, определял зависимость силы трения от площади опоры. Но работы Леонардо да Винчи стали известны уже после того, как классические законы трения были вновь открыты французскими учёными Амонтоном и Кулоном в XVII – XVIII веках. Вот эти законы:

1. Величина силы трения F прямо пропорциональна величине силы нормального давления N тела на поверхность, по которой движется тело, т.е. F =  N;

2. Сила трения не зависит от площади контакта между поверхностями;

3. Коэффициент трения зависит от свойств трущихся поверхностей;

4. Сила трения не зависит от скорости движения тела.

Вот пример. Английский физик Гарди исследовал зависимость силы трения между стеклянными пластинками от температуры. Он тщательно обрабатывал пластинки хлорной известью и обмывал их водой, удаляя жиры и загрязнения. Трение увеличивалось с температурой. Опыт был повторён много раз, и каждый раз получались примерно одни и те же результаты. Но однажды, моя пластинки, Гарди протер их пальцами – трение перестало зависеть от температуры. Протерев пластинки, Гарди, как он сам считал, удалил с них очень тонкий слой стекла, изменивший свои свойства из-за взаимодействия с хлоркой и водой. 

Механизм трения очень сложен. Обсудим такую модель. Из-за неровностей поверхностей они касаются друг друга только в отдельных точках на вершинах выступов. Здесь молекулы соприкасающихся тел подходят на расстояния, соизмеримые с расстоянием между молекулами в самих телах, и сцепляются. Образуется прочная связь, которая рвётся при нажиме на тело. При движении тела связи постоянно возникают и рвутся. При возникают колебания молекул. На эти колебания и тратится энергия. 

Площадь действительного контакта обычно порядка тысяч квадратных микронов. Она практически не зависит от размеров тела и определяется природой поверхностей, их обработкой, температурой и силой нормального давления. Если на тело надавить, то выступы сминаются, и площадь действительного контакта увеличивается. Увеличивается и сила трения. 

При значительной шероховатости поверхностей большую роль в увеличении силы трения начинает играть механическое зацепление между “холмами”. Они при движении сминаются, и при этом тоже возникают колебания молекул.

Теперь понятен опыт с полированными стеклянными пластинками. Пока поверхности были “грубые”, число контактов было не велико, а после хорошей полировки оно возросло. Можно привести ещё пример увеличения трения с улучшением поверхности. Если взять два металлических бруска с чистыми полированными поверхностями, то они слипаются. Трение здесь становится очень большим, так как площадь действительного контакта велика. Силы молекулярного сцепления, которые ответственны за трение, превращают два бруска в монолит.

Сухое трение имеет ещё одну существенную особенность: наличие трения покоя. В жидкости или газе трение возникает только при движении тела, и тело можно сдвинуть, приложив к нему даже очень маленькую силу. Однако при сухом трении тело начинает двигаться только тогда, когда проекция приложенной к нему силы F на плоскость, касательную к поверхности, на которой лежит тело, станет больше некоторой величины. Пока тело не начало скользить, действующая на него сила трения равна касательной составляющей приложенной силы и направлена в противоположную сторону.

Вот ещё примеры, когда хотят вытащить гвоздь из стенки без помощи клещей, его сгибают и тащат, поворачивая одновременно вокруг оси. По той же причине при резком торможении автомобиль теряет управление и машину “заносит”: колёса скользят по дороге, за счёт неровностей дороги возникает боковая сила.

Обычно считают, что, для того чтобы сдвинуть тело с места, по нему нужно приложить большую силу, чем для того, чтобы тащить тело. В большинстве случаев это связано с загрязнениями поверхностей трущихся тел. Так, для чистых металлов такого скачка силы трения не наблюдается. 

При равномерном движении смычка скрипки струна увлекается им и натягивается. Вместе с натяжением струны увеличивается сила трения между смычком и струной. Когда величина силы трения становится максимально возможной, струна начинает проскальзывать относительно смычка. Если бы сила трения не зависела от относительной скорости смычка и струны, то, очевидно, отклонение струны от положения равновесия не изменялось бы. Но при проскальзывании трение уменьшается, поэтому струна начинает двигаться к положению равновесия. При этом относительная скорость струны увеличивается, а это ещё уменьшает силу трения. Когда же струна, совершив колебания, движетсяв обратном направлении, её скорость относительно смычка уменьшается смычёк опять захватывает струну, и всё повторяется сначала. Так возбуждаются колебания струны. Эти колебания незатухающие, поскольку энергия, потерянная струной при её движении, каждый раз восполняется работой силы трения, подтягивающей струну до положения, при котором струна срывается.

Этим можно и закончить тему о сухом трении – явлении, природу которого мы ещё не понимаем достаточно хорошо, но умеем описывать с помощью законов, выполняющихся с удовлетворительной точностью. Это даёт нам возможность объяснять многие физические явления и делать необходимые расчёты.