Сила трения

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный экономический университет»

Центр дистанционного образования

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине: Физика

по теме: «Сила трения»

Исполнитель: студент

Направление: Управление качеством

Профиль:

Группа: УК-11Пр

Ф.И.О. Титов А.В.

Екатеринбург

2012

Сила трения

Если мы попытаемся сдвинуть с места шкаф, то сразу убедимся, что не так-то просто это сделать. Его движению будет мешать взаимодействие ножек с полом, на котором он стоит. Различают 3 вида трения: трение покоя, трение скольжения, трение качения. Мы хотим выяснить, чем эти виды отличаются друг от друга и что между ними общего?

Трение покоя

Для того чтобы выяснить сущность этого явления, можно провести несложный эксперимент. Положим брусок на наклонную доску. При не слишком большом угле наклона доски брусок может остаться на месте. Что будет удерживать его от соскальзывания вниз? Трение покоя.

Прижмем свою руку к лежащей на столе тетради и передвинем ее. Тетрадь будет двигаться относительно стола, но покоиться по отношению нашей ладони. С помощью чего мы заставили эту тетрадь двигаться? С помощью трения покоя тетради о руку. Трение покоя перемещает грузы, находящиеся на движущейся ленте транспортера, препятствует развязыванию шнурков, удерживает гвозди, вбитые в доску, и т. д.

Сила трения покоя может быть разной. Она растет вместе с силой, стремящейся сдвинуть тело с места. Но для любых двух соприкасающихся тел она имеет некоторое максимальное значение, больше которого быть не может. Например, для деревянного бруска, находящегося на деревянной доске, максимальная сила трения покоя составляет примерно 0,6 от его веса. Приложив к телу силу, превышающую максимальную силу трения покоя, мы сдвинем тело с места, и оно начнет двигаться. Трение покоя при этом сменится трением скольжения.

Трение скольжения

Из-за чего постепенно останавливаются санки, скатившиеся с горы? Из-за трения скольжения. Почему замедляет свое движение шайба, скользящая по льду? Вследствие трения скольжения, направленного всегда в сторону, противоположную направлению движения тела. Причины возникновения силы трения:

1) Шероховатость поверхностей соприкасающихся тел. Даже те поверхности, которые выглядят гладкими, на самом деле всегда имеют микроскопические неровности (выступы, впадины). При скольжении одного тела по поверхности другого эти неровности зацепляются друг за друга и тем самым мешают движению;

2) межмолекулярное притяжение, действующее в местах контакта трущихся тел. Между молекулами вещества на очень малых расстояниях возникает притяжение. Молекулярное притяжение проявляется в тех случаях, когда поверхности соприкасающихся тел хорошо отполированы. Так, например, при относительном скольжении двух металлов с очень чистыми и ровными поверхностями, обработанными в вакууме с помощью специальной технологии, сила трения оказывается намного сильнее, чем сила трения между брусками дерева друг с другом, и дальнейшее скольжение становится невозможно.

Трение качения

Если тело не скользит по поверхности другого тела, а, подобно колесу или цилиндру, катится, то возникающее в месте их контакта трение называют трением качения. Катящееся колесо несколько вдавливается в полотно дороги, и потому перед ним всё время оказывается небольшой бугорок, который необходимо преодолевать. Именно тем, что катящемуся колесу постоянно приходится наезжать на появляющийся впереди бугорок, и обусловлено трение качения. При этом, чем дорога тверже, тем трение качения меньше. При одинаковых нагрузках сила трения качения значительно меньше силы трения скольжения (это было замечено еще в древности). Так, ножки тяжелых предметов, например, кроватей, роялей и т. п., снабжают роликами. В технике для уменьшения трения в машинах широко пользуются подшипниками качения, иначе называемыми шариковыми и роликовыми подшипниками.

Эти виды трения относятся к сухому трению. Мы знаем, почему книга не проваливается сквозь стол. Но что мешает ей соскользнуть, если стол немного наклонен? Наш ответ - трение! Мы попытаемся объяснить природу силы трения.

На первый взгляд, объяснить происхождение силы трения очень просто. Ведь поверхность стола и обложка книги шероховаты. Это чувствуется на ощупь, а под микроскопом видно, что поверхность твердого тела более всего напоминает горную страну. Бесчисленные выступы цепляются друг за друга, немного деформируются и не дают книге соскользнуть. Таким образом, сила трения покоя вызвана теми же силами взаимодействия молекул,, что и обычная упругость.

Если мы увеличим наклон стола, то книга начнет скользить. Очевидно, при этом начинаются «скалывание» бугорков, разрыв молекулярных связей, не способных выдержать возросшую нагрузку. Сила трения по-прежнему действует, но это уже будет сила трения скольжения. Обнаружить «скалывание» бугорков не представляет труда. Результатом такого «скалывания» является износ трущихся деталей.

Казалось бы, чем тщательнее отполированы поверхности, тем меньше должна быть сила трения. До известной степени это так. Шлифовка снижает, например, силу трения между двумя стальными брусками. Но не беспредельно! Сила трения внезапно начинает расти при дальнейшем увеличении гладкости поверхности. Это неожиданно, по все же объяснимо.

По мере сглаживания поверхностей они все теснее и теснее прилегают друг к другу.

Однако до тех пор, пока высота неровностей превышает несколько молекулярных радиусов, силы взаимодействия между молекулами соседних поверхностей отсутствуют. Ведь это очень короткодействующие силы. При достижении некоего совершенства шлифовки поверхности сблизятся настолько, что силы сцепления молекул включатся в игру. Они начнут препятствовать смещению брусков друг относительно друга, что и обеспечивает силу трения покоя. При скольжении гладких брусков молекулярные связи между их поверхностями рвутся подобно тому, как у шероховатых поверхностей разрушаются связи внутри самих бугорков. Разрыв молекулярных связей - вот то главное, чем отличаются силы трения от сил упругости. При возникновении сил упругости таких разрывов не происходит. Из-за этого силы трения зависят от скорости.

Часто в популярных книгах и научно-фантастических рассказах рисуют картину мира без трения. Так можно очень наглядно показать как пользу, так и вред трения. Но не надо забывать, что в основе трения лежат электрические силы взаимодействия молекул. Уничтожение трения фактически означало бы уничтожение электрических сил и, следовательно, неизбежный полный распад вещества.

Но ведь знания о природе трения пришли к нам не сами собой. Этому предшествовала большая исследовательская работа ученых-экспериментаторов на протяжении нескольких веков. Не все знания приживались легко и просто, многие требовали многократных экспериментальных проверок, доказательств. Самые светлые умы последних столетий изучали зависимость модуля силы трения от многих факторов: от площади соприкосновения поверхностей, от рода материала, от нагрузки, от неровностей поверхностей и шероховатостей, от относительной скорости движения тел.

Имена этих ученых: Леонардо да Винчи, Амон-тон, Леонард Эйлер, Шарль Кулон - это наиболее известные имена, но были еще рядовые труженики науки. Все ученые, участвовавшие в этих исследованиях, ставили опыты, в которых совершалась работа по преодолению силы трения.

Историческая справка

Шел 1500 год. Великий итальянский художник, скульптор и ученый Леонардо да Винчи проводил странные опыты, чем удивлял своих учеников.

Он таскал по полу то плотно свитую веревку, то ту же веревку во всю длину. Его интересовал ответ на вопрос: зависит ли сила трения скольжения от величины площади соприкасающихся в движении тел? Механики того времени были глубоко убеждены, что чем больше площадь касания, тем больше сила трения. Они рассуждали примерно так, что чем больше таких точек, тем больше сила. Совершенно очевидно, что на большей поверхности будет больше таких точек касания, поэтому сила трения должна зависеть от площади трущихся тел.

Леонардо да Винчи усомнился и стал проводить опыты. И получил потрясающий вывод: сила трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся тел. Попутно Леонардо да Винчи исследовал зависимость силы трения от материала, из которого изготовлены тела, от величины нагрузки на эти тела, от скорости скольжения и степени гладкости или шероховатости их поверхности. Он получил следующие результаты:

1. От площади не зависит.

2. От материала не зависит.

3. От величины нагрузки зависит (пропорционально ей).

4. От скорости скольжения не зависит.

5. Зависит от шероховатости поверхности.

1699 год. Французский ученый Амонтон в результате своих опытов так ответил на те же пять вопросов. На первые три - так же, на четвертый - зависит. На пятый - не зависит. Получалось, и Амонтон подтвердил столь неожиданный вывод Леонардо да Винчи о независимости силы трения от площади соприкасающихся тел. Но в то же время он не согласился с ним в том, что сила трения не зависит от скорости скольжения; он считал, что сила трения скольжения зависит от скорости, а с тем, что сила трения зависит от шероховатостей поверхностей, не соглашался.

В течение восемнадцатого и девятнадцатого веков насчитывалось до тридцати исследований на эту тему. Их авторы соглашались только в одном - сила трения пропорциональна силе нормального давления, действующей на соприкасающиеся тела. А по остальным вопросам согласия не было. Продолжал вызывать недоумение даже у самых видных ученых экспериментальный факт: сила трения не зависит от площади трущихся тел.

1748 год. Действительный член Российской Академии наук Леонард Эйлер опубликовал свои ответы на пять вопросов о трении. На первые три - такие же, как и у предыдущих, но в четвертом он согласился с Амонтоном, а в пятом - с Леонардо да Винчи.

1779 год. В связи с внедрением машин и механизмов в производство назрела острая необходимость в более глубоком изучении законов трения. Выдающийся французский физик Кулон занялся решением задачи о трении и посвятил этому два года. Он ставил опыты на судостроительной верфи, в одном из портов Франции. Там он нашел те практические производственные условия, в которых сила трения играла очень важную роль. Кулон на все вопросы ответил - да. Общая сила трения в какой-то малой степени все же зависит от размеров поверхности трущихся тел, прямо пропорциональна силе нормального давления, зависит от материала соприкасающихся тел, зависит от скорости скольжения и от степени гладкости трущихся поверхностей. В дальнейшем ученых стал интересовать вопрос о влиянии смазки, и были выделены виды трения: жидкостное, чистое, сухое и граничное.

Правильные ответы

Сила трения не зависит от площади соприкасающихся тел, а зависит от материала тел: чем больше сила нормального давления, тем больше сила трения. Точные измерения показывают, что модуль силы трения скольжения зависит от модуля относительной скорости.

Сила трения зависит от качества обработки трущихся поверхностей и увеличения вследствие этого силы трения. Если тщательно отполировать поверхности соприкасающихся тел, то число точек касания при той же силе нормального давления увеличивается, а следовательно, увеличивается и сила трения. Трение связано с преодолением молекулярных связей между соприкасающимися телами.

Коэффициент трения

Сила трения зависит от силы, прижимающей данное тело к поверхности другого тела, т. е. от силы нормального давления Р и от качества трущихся поверхностей.

В опыте с трибометром силой нормального давления служит вес бруска. Измерим силу нормального давления, равную весу чашечки с гирьками в момент равномерного скольжения бруска. Увеличим теперь силу нормального давления вдвое, поставив грузы на брусок. Положив на чашечку добавочные гирьки, снова заставим брусок двигаться равномерно.

Сила трения при этом увеличится вдвое. На основании подобных опытов было установлено, что, при неизменных материале и состоянии трущихся поверхностей сила их трения прямо пропорциональна силе нормального давления, т. е.

Поскольку в описанных опытах все чашечки с гирьками всегда меньше веса бруска, можно заключить, что сила трения всегда составляет только часть силы нормального давления N (или Р_д). Коэффициент пропорциональности м в формуле меньше единицы и должен быть числом отвлеченным. Он постоянен для одних и тех же трущихся поверхностей и меняется при их замене.

Величина, характеризующая зависимость силы трения от материала и качества обработки трущихся поверхностей, называется коэффициентом трения. Коэффициент трения измеряется отвлеченным числом, показывающим, какую часть силы нормального давления составляет сила трения

м зависит от ряда причин. Опыт показывает, что трение между телами из одинакового вещества, вообще говоря, больше, чем между телами из разных веществ. Так, коэффициент трения стали по стали больше, чем коэффициент трения стали по меди. Объясняется это наличием сил молекулярного взаимодействия, которые у однородных молекул значительно больше, чем у разнородных.

Влияет на трение и качество обработки трущихся поверхностей.

Когда качество обработки этих поверхностей различно, то неодинаковы и размеры шероховатостей на трущихся поверхностях, тем прочнее сцепление этих шероховатостей, т. е. больше м трения. Следовательно, одинаковому материалу и качеству обработки обеих трущихся поверхностей соответствует наибольшее значение м трения. Отметим, что при трении между гладко полированными поверхностями большую роль играют силы взаимодействия. Если в предыдущей формуле под Fтр подразумевали силу трения скольжения, то м будет обозначать коэффициент трения скольжения, если же F_Tp заменить наибольшим значением силы трения покоя F_макс., то м будет обозначать коэффициент трения покоя

Теперь проверим, зависит ли сила трения от площади соприкосновения трущихся поверхностей. Для этого положим на полозья трибометра 2 одинаковых бруска и измерим силу трения между полозьями и «сдвоенным» бруском. Затем положим их на полозья порознь, сцепив друг с другом, и снова измерим силу трения. Оказывается, что, несмотря на увеличение площади трущихся поверхностей во втором случае, сила трения остается прежней. Отсюда следует, что сила трения не зависит от величины трущихся поверхностей. Такой, на первый взгляд странный, результат опыта объясняется очень просто. Увеличив площадь трущихся поверхностей, мы тем самым увеличили количество зацепляющихся друг за друга неровностей на поверхности тел, но одновременно уменьшили силу, с которой эти неровности прижимаются друг к другу, так как распределили вес брусков на большую площадь.

Опыт показал, что сила трения зависит от скорости движения. Однако при малых скоростях этой зависимостью можно пренебречь. Пока скорость движения невелика, сила трения возрастает при увеличении скорости. Для больших скоростей движения наблюдается обратная зависимость: с увеличением скорости силы трения убывает. Следует отметить, что все установленные соотношения для силы трения носят приближённый характер.

Сила трения значительно изменяется в зависимости от состояния трущихся поверхностей. Особенно сильно она уменьшается при наличии жидкой прослойки, например масла, между трущимися поверхностями (смазка). Смазкой широко пользуются в технике для уменьшения сил вредного трения.

Роль сил трения

В технике и в повседневной жизни силы трения играют огромную роль. В одних случаях силы трения приносят пользу, в других - вред. Сила трения удерживает вбитые гвозди, винты, гайки; удерживает нитки в материи, завязанные узлы и т. д. При отсутствии трения нельзя было бы сшить одежду, собрать станок, сколотить ящик.

Трение увеличивает прочность сооружений; без трения нельзя производить ни кладку стен здания, ни закрепление телеграфных столбов, ни скрепление частей машин и сооружений болтами, гвоздями, шурупами. Без трения не могли бы удерживаться растения в почве. Наличие трения покоя позволяет человеку передвигаться по поверхности Земли. Идя, человек отталкивает от себя Землю назад, а Земля с такой же силой толкает человека вперед. Сила, движущая человека вперед, равна силе трения покоя между подошвой ноги и Землей.

Чем сильнее человек толкает Землю назад, тем больше сила трения покоя, приложенная к ноге, и тем быстрее движется человек.

Когда человек отталкивает Землю с силой большей, чем предельная сила трения покоя, то нога скользит назад, и это затрудняет ходьбу. Вспомним, как трудно ходить по скользкому льду. Чтобы легче было идти, необходимо увеличить трение покоя. С этой целью скользкую поверхность посыпают песком. Сказанное относится и к движению электровоза, автомобиля. Колёса, соединенные с двигателем, называются ведущими.

Когда ведущее колесо с силой, создаваемой двигателем, толкает рельс назад, то сила, равная трению покоя и приложенная к оси колеса, двигает вперед электровоз или автомобиль. Итак, трение между ведущим колесом и рельсом или Землей - полезно. Если оно мало, то колесо буксует, а электровоз или автомобиль стоит на месте. Трение же, например, между движущимися частями работающей машины вредно. Для увеличения трения посыпают рельсы песком. В гололедицу очень трудно ходить пешком и передвигаться на автомобилях, так как трение покоя очень мало. В этих случаях посыпают тротуары песком и надевают цепи на колеса автомобилей, чтобы увеличить трение покоя.

Силой трения также пользуются для удержания тел в состоянии покоя или для их остановки, если они движутся. Вращение колес прекращается с помощью тормозных колодок, тем или иным способом прижимаемых к ободу колеса. Наиболее распространены воздушные тормоза, в которых тормозная колодка прижимается к колесу при помощи сжатого воздуха.

Рассмотрим подробнее движение лошади, тянущей сани. Лошадь ставит ноги и напрягает мускулы таким образом, что в отсутствие сил трения покоя ноги скользили бы назад. При этом возникают силы трения покоя, направленные вперед. На сани же, которые лошадь тянет вперед через постромки с силой, со стороны земли действует сила трения скольжения, направленная назад. Чтобы лошадь и сани получили ускорение, необходимо, чтобы сила трения копыт лошади о поверхность дороги, была больше, чем сила трения, действующая на сани. Однако, как бы ни был велик коэффициент трения подков о землю, сила трения покоя не может быть больше той силы, которая должна была вызвать скольжение копыт , т. е. силы мускулов лошади. Поэтому даже тогда, когда ноги лошади не скользят, все же она иногда не может сдвинуть с места тяжелые сани. При движении (когда началось скольжение) сила трения несколько уменьшается; поэтому часто достаточно только помочь лошади сдвинуть сани с места, чтобы потом она могла их везти.

сила трение физический поверхность

Список используемой литературы

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

2. Крагельский И. В., Щедров В. С. Развитие науки о трении. Сухое трение. М.: Изд. АН СССР, 1956.

3. Фролов, К. В. (ред.) Современная трибология: Итоги и перспективы. ЛКИ, 2008.

Размещено на Allbest.ru