Сила трения. Виды сил сухого трения
Силы трения появляются при перемещении соприкасающихся тел или их частей друг относительно друга. Трение, возникающее при относительном перемещении двух соприкасающихся тел, называется внешним; трение между частями одного и того же сплошного тела (например, жидкости или газа) носит название внутреннего трения .
Силу трения, возникающую при движении твердого тела относительно жидкой или газообразной среды, следует отнести к категории сил внутреннего трения , поскольку в этом случае слои среды, непосредственно соприкасающиеся с телом, вовлекаются им в движение с той же скоростью, какую имеет тело, и на движение тела оказывает влияние трение между этими внешними по отношению к ним слоями среды.
Определение 1
Трение между поверхностями двух твердых тел при отсутствии какой-либо прослойки, например смазки между ними, называется сухим . Трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой, а также между слоями такой среды называется вязким (или жидким). Применительно к сухому трению различают трение скольжения , трение качения и трение покоя .
Сила трения скольжения
Сила трения скольжения возникает, когда одно тело перемещается по поверхности другого. Чем больше вес тела, и чем больше коэффициент трения между данными поверхностями (коэффициент зависит от материала, из которого сделаны поверхности), тем больше сила трения скольжения.
Сила трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей. При движении брусок, лежащий на своей большой по площади грани, будет иметь такую же силу трения скольжения, как если его положить на самую маленькую грань.
Причины возникновения силы трения скольжения:
Мельчайшие неровности поверхностей двух тел - ими тела цепляются друг за друга при движении. Если бы не было силы трения скольжения, то тело, приведенное в движение кратковременным действием на него силы, продолжало бы двигаться равномерно. Однако, поскольку сила трения скольжения существует, и она направлена против движения тела, то тело постепенно останавливается.
Межмолекулярные взаимодействия на соприкасающихся поверхностях двух тел. Данное взаимодействие может возникнуть только на очень гладких, хорошо отполированных поверхностях. Молекулы разных тел оказываются очень близко друг к другу и притягиваются. Из-за этого движение тела тормозится.
Вектор силы трения скольжения $\overline{F}_{mp} $всегда направлен противоположно вектору скорости движения тела относительно соприкасающегося с ним тела. Поэтому действие силы трения скольжения всегда приводит к уменьшению модуля относительной скорости тел.
Сила трения качения
Сила трения качения возникает, когда по поверхности одного тела, перекатывается другое, обычно круглой формы. Например, катятся колеса транспортных средств на дороге, перевернутая на бок бочка с пригорка, шарик по полу. Сила трения качения намного меньше силы трения скольжения. Вспомните, большую сумку легче вести на колесиках, чем волоком тащить по земле. Причина кроется в разном способе контакта между движущимся телом и поверхностью. При качении колесо как бы вдавливает, подминает под себя поверхность, отталкивается от нее. Катящемуся колесу не приходится цеплять множество мелких неровностей поверхности, как при скольжении тел.
Замечание 1
Чем тверже поверхность, тем меньше сила трения качения. Например, по песку ехать на велосипеде труднее, чем по асфальту, так как на песке приходится преодолевать большую силу трения качения. Это связано с тем, что отталкиваться от твердых поверхностей легче, они не сильно вдавливаются. Можно сказать, что сила, которая действует со стороны колеса на твердую поверхность, не расходуется на деформацию, а почти вся возвращается в виде силы нормальной реакции опоры.
Сила трения покоя
Сила, возникающая на границе соприкосновения тел при отсутствии относительного движения тел, называется силой трения покоя.
Сила трения покоя $\overline{F}_{mp} $равна по модулю внешней силе $\overline{F}$, направленной по касательной к поверхности соприкосновения тел, и противоположна ей по направлению:
Сила трения покоя~окружает нас повсеместно. Все предметы, которые лежат на других телах, удерживаются силой трения покоя. Силы трения покоя даже хватает, чтобы удерживать предметы на наклоненных поверхностях. Например, человек может стоять на склоне холма, брусок неподвижно лежать на слегка наклоненной линейке. Кроме того, благодаря силе трения покоя возможны такие формы движения, как ходьба и езда. В этих случаях происходит «сцепление» с поверхностью за счет силы трения покоя, в результате появляется возможность отталкиваться от поверхности.
Причины силы трения покоя такие же, как у силы трения скольжения.
Сила трения покоя возникает, когда пытаются сдвинуть стоящее тело. Пока сила, пытающаяся двигать тело, меньше силы трения покоя, тело будет оставаться на месте. Как только эта сила превысит определенную максимальную силу трения покоя для данных двух тел, одно тело начнет двигаться относительно другого, и на него уже будет действовать сила трения скольжения или качения.
Замечание 2
В большинстве случаев максимальная сила трения покоя немного превосходит силу трения скольжения. Так, чтобы начать двигать шкаф, надо сначала приложить чуть больше усилий, чем прикладывать их, когда шкаф уже двигается. Часто разницей между силами трения покоя и скольжения пренебрегают, считая их равными.
В простейшей модели сухого трения выполняются следующие законы. Они являются обобщением опытных фактов и носят приближённый характер:
максимальная величина силы трения покоя равна силе трения скольжения;
абсолютная величина силы трения скольжения прямо пропорциональна силе реакции опоры: $\overline{F}_{mp} =\mu N$, а коэффициент пропорциональности $\mu $ называется коэффициентом трения;
коэффициент трения не зависит от скорости движения тела по шероховатой поверхности;
коэффициент трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.
Пример 1
Ученики установили магнит массой $30$ г к школьной доске. Магнит прижимается к доске с силой $6 H$. Какую силу нужно приложить для скольжения магнита вниз и перемещения его вертикально вверх, если коэффициент трения равен $0,3$?
Дано: $m=30$г, $N=6 H$, $\mu =0,3$.
Найти: $F_{1} $, $F_{2} $-?
Решение:
Рисунок 1.
Для того чтобы сдвинуть магнит вниз, сумма силы тяжести $mg$ и дополнительно приложенной силы $F_{1} $ должна быть равной силе трения $F_{B@} $ (или быть больше):
$mg+F=F_{mp} $ (1).
Из формулы (1) и из общей формулы для силы трения
находим искомую силу, необходимую для скольжения магнита вниз:
$F_{mp} =\mu N$($N$- сила с которой магнит прижимается к доске):
$F_{1} =\mu N-mg=1,5 H$.
Для силы, направленной вверх, уравнение (1) примет вид:
$F_{2} =\mu N+mg=2,1 H$
Ответ: $F_{1} =1,5 H$, $F_{2} =2,1 H$.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
HTML-версии работы пока нет.
Cкачать архив работы можно перейдя по ссылке, которая находятся ниже.
Подобные документы
Силы, возникающие между соприкасающимися телами при их относительном движении. Определение величины и направления силы трения скольжения, закон Амонтона-Кулона. Виды трения в механизмах и машинах. Сцепление с поверхностью как обеспечение перемещения.
презентация , добавлен 16.12.2014
Характеристика приближенных методов определения коэффициента трения скольжения, особенности его расчета для различных материалов. Значение и расчет силы трения по закону Кулона. Устройство и принцип действия установки для определения коэффициента трения.
лабораторная работа , добавлен 12.01.2010
История возникновения силы трения - процесса взаимодействия тел при их относительном движении (смещении) либо при движении тела в газообразной или жидкой среде. Возникновение сил трения скольжения и покоя на стыке соприкасающихся тел, способы уменьшения.
реферат , добавлен 30.07.2015
Причина возникновения силы трения и ее примеры: движение оси колеса, шарик, катящийся по горизонтальному полу. Формулы расчета силы трения в физике. Роль силы трения в жизнедеятельности на Земле: осуществление ходьбы, вращение ведущих колес экипажа.
презентация , добавлен 16.01.2011
Гравитационные, электромагнитные и ядерные силы. Взаимодействие элементарных частиц. Понятие силы тяжести и тяготения. Определение силы упругости и основные виды деформации. Особенности сил трения и силы покоя. Проявления трения в природе и в технике.
презентация , добавлен 24.01.2012
Сила трения как сила, возникающая при соприкосновении тел, направленная вдоль границы соприкосновения и препятствующая относительному движению тел. Причины возникновения трения. Сила трения покоя, скольжения и качения. Применение смазки и подшипников.
презентация , добавлен 12.11.2013
Трение как процесс взаимодействия твердых тел при относительном движении либо при движении твердого тела в газообразной или жидкой среде. Виды трения, расчет трения покоя, скольжения и качения. Расчет коэффициентов трения для различных пар поверхностей.
практическая работа , добавлен 10.05.2010
Между поверхностями соприкасающихся твердых тел.
Трение покоя.
Попробуйте сдвинуть пальцем лежащую на столе толстую книгу. Книга будет оставаться на месте до тех пор, пока действующая на нее сила не достигнет определенного значения. Факт этот совершенно привычный, но, если вдуматься, достаточно странный и непонятный.
Ведь что это значит? Вы приложили к книге некоторую силу, направленную, скажем, вдоль поверхности стола, а книга остается в покое. Следовательно, между книгой и поверхностью стола возникает сила, направленная против той силы, с которой вы действуете на книгу, и в точности равная ей по модулю. Вы с большей силой толкаете книгу, но она по-прежнему остается на месте. Значит, и сила трения настолько же возрастает.
Силу трения, действующую между двумя телами, неподвижными относительно друг друга, называют силой трения покоя
.
Если на тело действует сила , параллельная поверхности, на которой оно находится и тело при этом остается неподвижным, то это означает, что на него действует сила трения покоя F тр
, равная по модулю и направленная в противоположную сторону силе (рис.4.14
). Следовательно, сила трения покоя определяется действующей на него силой
Иначе говоря, когда ускорение тела равно нулю, сила трения равна по модулю и противоположна по направлению той силе, которая наряду с трением действует на тело параллельно поверхности его соприкосновения с другим телом. Если параллельно этой поверхности другие силы не действуют, то трение покоя будет равно нулю.
Наибольшее значение силы трения, при котором скольжение еще не наступает, называется максимальной силой трения покоя
. Если действующая на покоящееся тело сила хотя бы немного превысит максимальную силу трения покоя, то тело начнет скользить.
Для определения максимальной силы трения покоя существует весьма простой, но не очень точный количественный закон. Нагрузим брусок гирей (рис.4.15
) того же веса, что и сам брусок. При этом сила , с которой брусок действует на стол перпендикулярно поверхности стола, увеличится в 2 раза. Но сила согласно третьему закону Ньютона равна по модулю и противоположна по направлению силе нормальной реакции опоры , действующей на брусок со стороны стола. Следовательно, и сила увеличится в 2 раза. Если мы теперь снова измерим максимальную силу трения покоя, то увидим, что она увеличилась во столько раз, во сколько раз увеличилась сила , т. е. в 2 раза.
Нагружая брусок различными гирями и измеряя каждый раз максимальную силу трения покоя, мы убедимся в том, что максимальное значение модуля силы трения покоя пропорционально модулю силы нормальной реакции опоры
. Этот закон впервые установил экспериментально французский физик Кулон.
Если обозначить модуль максимальной силы трения покоя через F тр.макс
, то можно записать:
где µ
- коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения покоя. Коэффициент трения характеризует обе трущиеся поверхности и зависит не только от материала этих поверхностей, но и от качества их обработки. Коэффициент трения определяется экспериментально.
От площади соприкосновения тел максимальная сила трения покоя не зависит.
Если положить брусок на меньшую грань, то F тр.макс
не изменится.
Сила трения покоя меняется в пределах от нуля до максимального значения, равного . За счет чего может происходить изменение силы трения?
Дело здесь вот в чем. При действии на тело некоторой силы оно слегка (незаметно для глаза) смещается, и это смещение продолжается до тех пор, пока микроскопические шероховатости поверхностей не расположатся относительно друг друга так, что, зацепляясь одна за другую, они приведут к появлению силы, уравновешивающей силу . При увеличении силы тело опять чуть-чуть сдвинется так, что мельчайшие неровности поверхностей по-иному будут цепляться друг за друга, и сила трения возрастет. И лишь при F тр.макс
ни при каком взаимном расположении шероховатостей поверхности сила трения не в состоянии уравновесить силу , и начнется скольжение.
При ходьбе и беге на подошвы ног действует сила трения покоя, если только ноги не скользят. Такая же сила действует на ведущие колеса автомобиля. На ведомые колеса также действует сила трения покоя, но уже тормозящая движение, причем эта сила значительно меньше силы, действующей на ведущие колеса (иначе автомобиль не смог бы тронуться с места).
В давнее время, когда не очень хорошо представляли себе способность силы трения покоя принимать различные значения, сомневались, что паровоз сможет ехать по гладким рельсам. Думали, что трение, тормозящее ведомые колеса, будет равно силе трения, действующей на ведущие колеса. Предлагали даже делать ведущие колеса зубчатыми и прокладывать для них специальные зубчатые рельсы.
Трение скольжения.
При скольжении сила трения зависит не только от состояния трущихся поверхностей, но и от относительной скорости движения тел, причем эта зависимость от скорости является довольно сложной. Опыт показывает, что часто (хотя и не всегда) в самом начале скольжения, когда относительная скорость еще мала, сила трения становится несколько меньше максимальной силы трения покоя. Лишь затем, по мере увеличения скорости, она растет и начинает превосходить F тр.макс
.
Вы, вероятно, замечали, что тяжелый предмет, например ящик, трудно сдвинуть с места, а потом двигать его становится легче. Это как раз и объясняется уменьшением силы трения при появлении скольжения с малой скоростью.
Зависимость модуля силы трения скольжения от модуля относительной скорости тел показана на рисунке 4.16.
При не слишком больших относительных скоростях движения сила трения скольжения мало отличается от максимальной силы трения покоя. Поэтому приближенно можно считать ее постоянной и равной максимальной силе трения покоя:
Важная особенность силы трения скольжения состоит в том, что она всегда направлена противоположно относительной скорости соприкасающихся тел.
Силу трения скольжения можно уменьшить во много раз с помощью смазки - чаще всего тонкого слоя жидкости (обычно того или иного сорта минерального масла) - между трущимися поверхностями. Трение между слоями жидкости, прилегающими к твердым поверхностям, значительно меньше, чем между сухими поверхностями. Ни одна современная машина, например двигатель автомобиля или трактора, не может работать без смазки. Специальная система смазки предусматривается при конструировании всех машин.
Сила трения зависит от относительной скорости движения тел. В этом ее главное отличие от сил тяготения и упругости, зависящих только от расстояний.
Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиЕсли у вас есть исправления или предложения к данному уроку,
Урок по теме: "Силы трения между соприкасающимися поверхностями твердых тел"
Цели урока:
Образовательные:
Актуализировать и углубить знания учащихся о силе трения: изучить виды сил сухого трения, природы возникновения сил трения; на опытных фактах установить:
От чего зависит или не зависит величина силы трения покоя;
Сравнить по модулю силы трения покоя, скольжения, качения.
Установить математическую зависимость между силой трения и силой реакции опоры;
Рассмотреть физический смысл коэффициента трения, решать качественные и расчетные задачи по теме.
Развивающая цель:
развитие речи, развитие мышления: умение сравнивать, проводить анализ, использовать справочные материалы, проводить аналогии, делать выводы; развитие наблюдательности.
Воспитательная цель:
воспитание дисциплинированности, трудолюбия, аккуратности (ведение записей в тетрадях), соблюдения норм поведения, терпимого отношения к ошибкам товарищей, дальнейшее развитие индивидуально-групповой работы на уроке.
Тип урока: урок изучения и первичного закрепления знаний.
Скачать:
Подписи к слайдам:
Наибольшее значение силы трения, при котором скольжение еще не наступает, называется максимальной силой трения покоя:
F
тр.мах
µ - коэффициент трения
Характеризует обе трущиеся поверхности;
- зависит от материалов и качества обработки трущихся поверхностей.
Трение скольжения
Сила трения скольжения – это сила трения, возникающая при скольжении одного тела по поверхности другого.
Если поверхности соприкасающихся тел твердые
, то:
F
тр.кач
F
тр
.
Если поверхности рыхлые,
т
о:
F
тр.кач
F
тр
.
Тема урока: «
Силы трения между соприкасающимися поверхностями твердых тел».
Задачи урока:
2.Уметь определять направление сил сухого трения
3.Уметь измерять силы трения.
Трение покоя
Силу трения, действующую между двумя телами, неподвижными относительно друг друга, называют силой трения покоя:
F
тр.п
.
Сила трения покоя равна по модулю и направлена противоположно силе, приложенной к телу параллельно поверхности соприкосновения его с другим телом:
F
тр.п
.
Ш. О.Кулон
(1736-1806) – французский ученый, известный своими работами по электричеству и магнетизму и исследованием сил трения.
Задачи урока:
1.Знать определение понятий трения покоя,
трения скольжения, трения качения.
3.Уметь измерять силы трения.
4. Получить формулы для расчета сил трения.
5. Решать качественные и расчетные задачи, используя знания о силах трения.
Пример
:
µ
0,001 для колеса железнодорожного вагона по рельсам
;
µ
=0.4 (коэффициент трения скольжения сталь-сталь
)
Выводы из опыта:
2. От площади соприкосновения тел максимальная сила трения покоя не зависит.
Сила трения скольжения:
- от площади соприкосновения тел не зависит;
- направлена противоположно относительной скорости соприкасающихся тел
- зависит от относительной скорости движения тел
Домашнее задание:
Основное:
§37, №244, №245, №247.(
Рымкевич
)
Дополнительное:
№ 262, №268 (
Рымкевич
Силы сухого трения
Трение покоя
Трение скольжения
Трение качения
Выводы из опыта
:
1.Максимальное значение модуля силы трения покоя пропорционально модулю силы реакции опоры.
F
тр.
max
кач
–
коэффициент трения качения
зависит:
-
от материала, из которого изготовлены соприкасающиеся поверхности;
- от скорости качения.
Задачи урока:
1.Знать определение понятий трения покоя,
т
рения скольжения, трения качения.
2.Уметь определять направление сил сухого трения.
3.Уметь измерять силы трения.
4. Получить формулы для расчета сил трения.
5. Решать качественные и расчетные задачи, используя знания о силах трения.
Коэффициент трения для некоторых пар материалов.
В 1781г. Ш. О. Кулон:
F
тр.кач
Пропорциональна силе реакции опоры;
- направлена противоположно относительной скорости соприкасающихся тел.
Способы уменьшения силы трения:
- уменьшить шероховатости поверхностей;
-использовать смазку;
- уменьшить силу давления на опору.
Сила трения покоя может служить причиной ускорения движения тела
При
небольших
относительных скоростях
д
вижения,
силу трения скольжения
можно считать постоянной и
равной максимальной силе
трения покоя.
F
тр.
=
F
тр.
maх
Цель урока
:
Изучить силы сухого трения:
трение покоя,
трение скольжения,
трение качения.
Сила трения покоя возрастает от нуля до максимального значения
Физический смысл коэффициента трения:
µ
= F
тр.
maх
/ N
Коэффициент трения показывает какую часть от силы нормального давления составляет сила трения.
Трение качения
Сила трения качения- это сила трения, которая возникает, когда одно тело катится по поверхности другого.
F
тр.кач
.
Способы увеличения сил трения:
-
увеличить шероховатости поверхностей;
- увеличить силу давления на опору;