velikol.ru
1

Силы трения. Силы сопротивления среды

Цель: актуализировать и углубить знания учащихся о силе трения, выявить основные особенности силы трения, причину ее возникновения, научить учащихся различать виды силы трения покоя, скольжения, качения. Учет и применение в технике.

Структура урока:

  1. Организационный момент.

  2. Проверка домашнего задания.

  3. Объяснение нового материала.

  4. Закрепление.

  5. Домашнее задание.


Ход урока

1. Организационный момент.

Проверить готовность к уроку учащихся. На столе должны быть: дневник, тетрадь, книга, ручка, карандаш, линейка, ластик.

2. Проверка домашнего задания. Упр. 15(4)


Дано:

R = 30 см = 0,3 м

m = 200 г = 0,2 кг

ω = 2 рад/с

k = 60 Н/м

Решение:

ma = k∆l,

a = v 2/R, v = ωR, следовательно a = ω2R

m ω2R = k∆l

l = m ω2R/k, ∆l = 4 мм

Ответ: ∆l = 4 мм

l - ?


3. Объяснение нового материала.

Почти любое движение окружающих нас тел сопровождается трением. Например: останавливается автомобиль, у которого водитель отключил двигатель; останавливается после многих колебаний маятник; медленно погружается в банку с маслом брошенный туда маленький металлический шарик; стираются подошвы обуви и шины машин; изнашиваются детали трущихся механизмов, изменяя формы и размеры деталей, которые приводят к вибрациям и биениям в механизмах, снижают качество работ и создают угрозу аварии. Все это и многое другое вызвано действием силы трения, возникающей при движении одних тел вдоль поверхности других. Кстати, ходим мы по земле, благодаря все той же силе трения.

С явлением трения мы знакомы уже давно. В походе можно услышать: «Не натрите ноги», в школе – «Сотрите с доски записи». Первые исследования трения были проведены великим итальянский ученым Леонардо да Винчи более 400 лет назад, но эти работы не были опубликованы. Законы трения были описаны французским ученым Гильомом Амонтоном в 1699 и Шарлем Кулоном в 1785 г.

Представление о силах, которые препятствуют движению тел — силах трения и силах сопротивления, — вы получили в 7-м классе. Рассмотрим их более подробно.



Трение







Вязкое (в жидкости и газе)

Сухое










Скольжения

Покоя




Качения



^ От чего зависит сила трения скольжения? Куда она направлена?

Модуль силы трения скольжения прямо пропорционален модулю силы давления. По третьему закону Нью­тона Fд= -N. Модули этих сил (Fд = N) показывают, насколько сильно тру­щиеся поверхности прижаты друг к другу.


Fтр = μ N



Коэффициент пропорциональности μ называют коэффициентом трения скольжения. Коэффициент μ зависит от материалов трущихся тел и от состояния соприкасающихся поверхностей. На значение этого коэффициента сильно влияет гладкость поверхностей, наличие примесей и загрязнений.


^ Зависит ли сила трения скольжения от площади контакта тел?

Сила трения не зависит от площади соприкасающихся тел: ведь нужна одинаковая сила, чтобы сдвинуть с места или тащить с медленной скоростью широкий лист стали или такого же веса гирю, опирающуюся на поверхность лишь малой площадью. Поэтому коэффициент трения характеризует два тела трущихся друг о друга и зависит от материалов, из которых сделаны тела и от качества обработки поверхностей.

Fтр зависит от силы давления и свойств соприкасающихся поверхностей, не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.


^ Куда направлена сила трения скольжения?

Сила трения скольжения направлена противоположно скорости тела относительно поверхности, по которой оно движется.


^ А действует ли сила трения на неподвижное тело?

Но силы трения возникают не только при движении. Каждому, кому приходилось передвигать по комнате тяжелую мебель (например, шкаф), известно, как трудно сдвинуть ее с места. Усилия, которые необходимо для этого приложить, гораздо больше усилия, затрачиваемого на дальнейшее перемещение шкафа по полу. Сила, которая противодействует первоначальному сдвигу шкафа, называется силой трения покоя. Если сдвигающая сила не достаточно велика, то сила трения покоя уравновешивает сдвигающую силу. При этом одной и той же силой можно легко сдвинуть с места тело с меньшей массой и не сдвинуть с места тело с большей массой. Тем самым нарушить трение покоя одного тела и не изменить другого. До каких пор действует сила трения покоя? Максимальное значение силы трения покоя пропорционально силе тяжести. Чтобы сдвинуть с места более тяжелое тело, нужно приложить большую силу, следовательно, Fтр ~ Fтяж.


Нам привычно, что неодушевленные предметы вокруг не движутся сами по себе, вещи остаются на своих местах, где мы их положили или поставили. Но если бы вдруг сила трения покоя объявила забастовку, в мире начали бы твориться удивительные вещи. Мебель ,,гуляла,, бы по комнатам от легкого сквозняка, со всех гор на свете сползли бы вниз все ледники, все камни и даже вся земля, лежащая на склонах сровнялась бы до одного уровня. Не будь трения покоя, Земля представляла бы шар без неровностей. Даже самые спокойные школьники не смогли бы усидеть за партами – при малейшем движении они соскальзывали бы на пол. К этому можно прибавить, что при отсутствии силы трения покоя гвозди и винты выскальзывали бы из стен, ни одной вещи нельзя было бы удержаться на месте и в руках, ни какой вихрь никогда бы не прекращался, никакой звук не умолкал бы, а звучал бы бесконечным эхом, неослабно отражаясь ото всюду.


^ Поэтому, все что стоит и не движется это благодаря силе трения покоя, пропорциональной силе тяжести.


Эксперимент: сползет или не сползет карандаш, если положить его на наклонно распложенную книгу? Это зависит от того, как расположить карандаш. Если положить вдоль уклона, карандаш даже при большом угле наклона скользить будет медленнее, чем при меньшем угле наклона будет скатываться карандаш, положенный поперек, особенно если он круглый. Катить легче, чем волочить, так как сила трения качения при прочих равных условиях всегда меньше силы трения скольжения. Именно, поэтому люди изобрели колеса. В глубокой древности о колесах не знали и даже летом грузы возили на санях или тащили волоком. Прошло немало лет прежде, чем древние инженеры догадались подложить под грузы катки, то есть заменить трение скольжения трением качения. Так для постройки памятника Петру-I в Санкт-Петербурге, громадную каменную глыбу доставили в город на катках. А иначе, постамент для памятника основателю города трудно было бы строителям тащить волоком.

Замена трения скольжения трением качения было большим шагом вперед и увеличило производительность труда. Сначала полозья заменили брусьями, затем колесами, насажанными на оси, для уменьшения трения ввели смазку между трущимися деталями. В качестве смазки могут использоваться различного вида жидкости, масла. Кроме того, чтобы происходил как можно меньший износ трущихся частей, были изобретены шариковые подшипники.

^ Fтр качения << Fтр скольжения


Причины возникновения:

  1. Шероховатости поверхности.

  2. Силы межмолекулярного взаимодействия между соприкасающимися слоями взаимодействующих тел.


Особенности проявления силы:

  1. Возникает при соприкосновении 2-х движущихся тел.

  2. Действует параллельно поверхности соприкасающихся тел.

  3. Направлена в сторону противоположную движению тела.


Природа сил – электромагнитная




Способы увеличения трения

Способы уменьшения трения

  1. Увеличение нагрузки

  2. Использование шин, протекторов

  3. Создание спец.материалов

  1. Уменьшение нагрузки

  2. Использование смазки

  3. Шлифовка


Рассмотрим теперь движение тела в жидкости или газе. Здесь тоже есть силы, препятствующие движению. Их называют силами сопротивления. Особенность сил сопротивления состоит в том, что они возникают только при движении тела и среды друг относительно друга. Иначе говоря, сила трения покоя в жидкостях и газах равна нулю.


Сила сопротивления зависит:

а) От свойств среды.

б) От поперечного сечения тела.

в) От формы тела.

г) От скорости движения.


^ 4. Закрепление.

Задача 1: Вы знаете, что чтобы забить гвоздь в древесину, необходимо приложить немало усилий, но чтобы вытащить его нужно не меньше. Это можно сделать с помощью клещей. Но, что же так крепко держит гвозди в доске? Ведь поверхность гвоздя гладкая, и если он прямой, то ему нечем зацепиться за дерево! Чем можно это объяснить?


Ответ: Держит гвоздь сила трения. Когда его забивали, то заостренный конец с силой раздвигал древесные волокна, проделывая отверстие, по которому проходило тело гвоздя. Раздвинутые волокна стремятся занять свое положение и снова сдвинуться. Они со всех сторон сжимают гвоздь. Благодаря этому нажиму между поверхностью гвоздя и деревом возникает большая сила трения. Гвоздь оказывается зажатым, будто в тисках.


Задача 2: Жидкости являются смазкой при трении, и допустим, деревянное изделие с вбитыми гвоздями долго находилось под дождем или в сыром месте. Если начать вытаскивать гвозди из сырой древесины, то нужно приложить еще больше усилий, чем при вытаскивании из сухой, почему так? Ведь вода, кажется должна быть смазкой.


Ответ: Потому, что промежутки между частичками древесины, набухшей от влаги, увеличиваются, и гвоздь сильнее сжимается волокнами древесины. Значит, сила трения увеличивается.


Задача 3: Тело массой m передвигают равномерно по горизонтальной поверхности под действием силы, направленной под углом α к горизонту. Найдите эту силу и силу трения, если коэффициент трения μ.

Дано:

m

α

μ

Решение:

По второму закону Ньютона:

ma = mg +F+N+Fтр

Ох: 0 = Fcosα – Fтр Fтр = Fcosα

Оу: 0 = ‒mg + Fsinα + N

N= mg‒Fsinα

Fтр = μN = μ(mg‒Fsinα)

Fcosα = μ(mg‒Fsinα)

F= μmg / (cosα + sinα)

Fтр - ?

F- ?


Задача 4: Тело массой m передвигают равномерно вверх по наклонной плоскости с углом наклона α под действием силы, параллельной наклонной плоскости. Найдите эту силу и силу трения, если коэффициент трения μ.

Дано:

m

α

μ

Решение:

По второму закону Ньютона:

ma = mg +F+N+Fтр

Ох: 0 = F – Fтр ‒mgsinα

F = Fтр + mgsinα

Оу: 0 = ‒mgcosα + N

N= mgcosα

Fтр = μN = μmgcosα

F = μmgcosα + mgsinα


Fтр - ?

F- ?


5. Домашнее задание: § 23, стр.116-123, упр.16(5)