На вопрос животные сахалина заданный автором Елизавета Ян лучший ответ это...
Поставим опыт
Толкнем лежащий на столе брусок, сообщив ему некоторую начальную скорость. Мы увидим, что брусок скользит по столу и его скорость уменьшается до полной остановки (на рисунке 17.1 показаны последовательные положения бруска через равные промежутки времени). Как вы уже знаете из курса физики основной школы, тормозит брусок силы трения скольжения, действующая на него со стороны стола.
Силы трения скольжения действуют на каждое из соприкасающихся тел, когда они движутся друг относительно друга.
Эти силы действуют на каждое из соприкасающихся тел (рис. 17.2). Они равны по модулю и противоположны по направлению, потому что связаны третьим законом Ньютона.
Когда брусок скользит по столу, мы не замечаем силу трения скольжения, действующую на стол со стороны бруска, потому что стол прикреплен к полу (или на стол со стороны пола действует довольно большая сила трения покоя, речь о которой пойдет далее).
Если же толкнуть брусок, лежащий на тележке, то под действием силы трения скольжения, действующей на тележку со стороны бруска, тележка станет двигаться с ускорением, а скорость бруска относительно тележки будет уменьшаться.
1. Во сколько раз ускорение бруска относительно стола в этом опыте больше, чем ускорение тележки относительно стола, если масса бруска 200 г, а масса тележки 600 г? Трением между тележкой и столом можно пренебречь.
Силы трения скольжения направлены вдоль поверхности соприкосновения тел. Действующая на каждое тело сила трения направлена противоположно скорости этого тела относительно другого тела.
Силы трения скольжения обусловлены главным образом зацеплением и разрушением неровностей соприкасающихся тел (эти неровности на рисунке 17.3 для наглядности преувеличены). Поэтому обычно чем более гладкие поверхности соприкасающихся тел, тем меньше силы трения между ними.
Однако если сделать соприкасающиеся поверхности очень гладкими (например, отшлифовать их), то сила трения скольжения может увеличиться вследствие действия сил межмолекулярного притяжения.
Выясним, от чего зависит сила трения скольжения.
От чего зависит сила трения скольжения?
Поставим опыт
Будем с помощью динамометра тянуть брусок по столу с постоянной скоростью (рис. 17.4, а), прикладывая к нему горизонтально направленную силу упр.
При движении с постоянной скоростью ускорение бруска равно нулю. Следовательно, силу трения скольжения, действующую на брусок со стороны стола, уравновешивает сила упругости, действующая на брусок со стороны динамометра. Значит, эти силы равны по модулю, то есть динамометр показывает модуль силы трения.
Повторим опыт, положив на брусок другой такой же брусок (рис. 17.4, б). Мы увидим, что сила трения скольжения увеличилась в 2 раза. Заметим теперь, что в этом опыте (по сравнению с опытом с одним бруском) сила нормальной реакции тоже увеличилась в 2 раза.
Изменяя силу нормальной реакции, можно убедиться, что модуль силы трения скольжения Fтр пропорционален модулю силы нормальной реакции N:
F тр.ск = μN. (1)
Как показывает опыт, сила трения скольжения практически не зависит от относительной скорости движения соприкасающихся тел и от площади их соприкосновения.
Коэффициент пропорциональности μ называют коэффициентом трения. Его определяют из опыта (см. лабораторную работу 4). Он зависит от материала и качества обработки соприкасающихся поверхностей. На форзаце задачника (под обложкой) приведены приближенные значения коэффициента трения для некоторых видов поверхностей.
Коэффициент трения шин по мокрому асфальту или по льду в несколько роз меньше коэффициента трения шин по сухому асфальту. Поэтому тормозной путь автомобиля значительно увеличивается во время дождя или гололеда. О скользкой дороге водителей предупреждает дорожный знак (рис. 17.5).
2. Тело массой m движется по горизонтальной поверхности. Коэффициент трения между телом и поверхностью μ.
а) Чему равна сила трения скольжения?
б) С каким по модулю ускорением движется тело, если на него действуют только сила тяжести, сила нормальной реакции и сила трения скольжения?
3. Лежащему на столе бруску сообщили скорость 2 м/с, и он прошел до остановки 1 м (тормозной путь). Чему равен коэффициент трения между бруском и столом?
4. Можно приближенно считать, что на автомобиль при торможении действует сила трения скольжения. Оцените, чему равен тормозной путь автомобиля на сухом асфальте и на льду при начальной скорости 60 км/ч; 120 км/ч. Сравните найденные значения с длиной классной комнаты.
Полученные ответы удивят вас. Наверное, вы станете осторожнее на дороге во время дождя и особенно гололеда.
2. Сила трения покоя
Поставим опыт
Попробуйте сдвинуть с места шкаф (рис. 17.6). Он будет оставаться в покое, даже если прикладывать к нему довольно большую силу.
Какая же сила уравновешивает горизонтально направленную силу, приложенную вами к шкафу? Это сила трения покоя, действующая на шкаф со стороны пола.
Силы трения покоя возникают при попытке сдвинуть одно из соприкасающихся тел относительно другого в том случае, когда тела остаются в покое друг относительно друга. Эти силы препятствуют относительному движению тел.
5. Действует ли сила трения покоя на пол со стороны шкафа (рис. 17.6)?
Причины возникновения силы трения покоя сходны с причинами возникновения силы трения скольжения: наличие неровностей на соприкасающихся поверхностях тел и действие сил межмолекулярного притяжения.
Будем постепенно увеличивать приложенную к шкафу горизонтальную силу. При достижении некоторого ее значения шкаф сдвинется с места н начнет скользить по полу. Следовательно, модуль силы трения покоя Fтр.пок не превышает некоторого предельного значения, называемого максимальной силой трения покоя.
Опыт показывает, что максимальная сила трения покоя немного больше силы трения скольжения. Однако для упрощения решения школьных задач принимают, что максимальная сила трения покоя равна силе трения скольжения:
F тр.пок ≤ μN. (2)
Если тело покоится, то сила трения покоя тр.пок уравновешивает силу , направленную вдоль поверхности соприкосновения тел и стремящуюся сдвинуть тело.
Следовательно, в этом случае
F тр.пок = F. (3)
Обратите внимание: сила трения покоя удовлетворяет двум соотношениям – неравенству (4) и равенству (5). Из них следует неравенство для силы , которая не может сдвинуть тело:
Если же F > μN, то тело начнет скользить, и на него будет действовать сала трения скольжения. В таком случае
F тр = F тр.ск = μN.
Соотношения (3) и (5) иллюстрирует график зависимости силы трения Fтр от приложенной к телу силы F (рис. 17.7).
6. К лежащему на столе бруску массой 1 кг прикладывают горизонтальную силу, равную по модулю F. Коэффициент трения между бруском и столом равен 0,3. Чему равна действующая на брусок со стороны стола сила трения, если F = 2 Н? F = 5 Н?
7. Тягач тянет по горизонтали связку бревен массой 10 т с силой 40 кН. Чему равно ускорение связки, если коэффициент трения между бревнами и дорогой равен 0,3? 0,5?
8. Находящийся на столе брусок массой 1 кг тянут горизонтальной пружиной жесткостью 100 Н/м. Коэффициент трения 0,3. Каково удлинение x пружины, если брусок покоится? движется со скоростью 0,5 м/с?
Может ли сила трение быть движущей силой?
Делая шаг, человек толкает дорогу назад, действуя на нее силой трения покоя тр1: ведь подошва во время толчка покоится относительно дороги (на это иногда указывает четкий отпечаток подошвы) (рис. 17.8, а). Согласно третьему закону Ньютона, со стороны дороги на человека действует такая же по модулю сила трения покоя тр2 , направленная вперед.
Сила трения покоя разгоняет и автомобиль (рис. 17.8, б). Когда колесо катится без проскальзывания, его нижняя точка покоится относительно дороги. Ведущее колесо автомобиля (приводимое во вращение двигателем) толкает дорогу назад, действуя на нее силой трения покоя тр1 . Согласно третьему закону Ньютона, дорога при атом толкает колесо (а вместе с ним и автомобиль) вперед силой трения покоя тр2 . Именно эту силу и называют часто силой тяги.
9. С какой целью локомотивы (электровозы и тепловозы) делают очень массивными?
10. Коэффициент трения между шинами ведущих колес автомобиля и дорогой равен 0,5. Считайте, что сопротивлением воздуха можно пренебречь.
а) С каким максимально возможным ускорением может двигаться автомобиль, если все его колеса – ведущие?
б) Увеличилось бы или уменьшилось максимально возможное ускорение автомобиля, если ведущими были бы только передние или только задние колеса? Обоснуйте свой ответ.
Подсказки. Ускорение автомобиля обусловлено действием силы трения покоя со стороны дороги.
Дополнительные вопросы и задания
11. На рисунке 17.9 приведены графики зависимости силы трения скольжения от силы нормальной реакции при движении по столу трех разных брусков. Между каким бруском и столом коэффициент трения наибольший? Чему он равен?
12. На столе лежит стопка из четырех одинаковых книг массой 500 г каждая (рис. 17.10). Коэффициент трения между обложками книг равен 0,4. Какую горизонтально направленную силу надо приложить, чтобы, придерживая остальные книги:
а) сдвинуть книгу 4?
б) сдвинуть книги 3 и 4 вместе?
в) вытащить книгу 3?
г) вытащить книгу 2?
Сила трения возникает в месте соприкосновения двух тел и препятствует взаимному перемещению этих тел относительно друг друга. Она всегда направлена противоположно движению тел либо направлению приложения внешней силы. В случае если тела неподвижны. В результате трения механическая энергия переходит в тепловую.
Трение делится на трение покоя и трение движения. Трение движения в свою очередь делится трение качения и трение скольжения. Трение покоя возникает, когда соприкасающиеся тела пытаются сместить друг относительно друга.
Формула 1 - Сила трения.
N - Сила реакции опоры.
Мю - Коэффициент трения.
Трение покоя, как видно из названия, возникает, когда к телам прикладывается сторонняя сила стремящаяся сместить их друг относительно друга. Но движение еще не возникает. Движения нет именно потому, что ему препятствует сила трения покоя. В тот момент, когда внешняя сила превысит силу трения покоя, возникнет сила трения скольжения.
Причиной возникновения силы трения является неровности на поверхности соприкасающихся тел. Даже если поверхности выглядят гладкими, на самом деле при большом увеличении, видно, что поверхность является шершавой. Так вот именно эти неровности на поверхности двух тел и цепляются друг к другу.
Рисунок 1 - Соприкасающиеся поверхности.
Казалось бы, если поверхности отполировать до зеркального блеска то трение между ними должно если не исчезнуть совсем, то уж точно упасть до минимального значения. А на практике оказывается все не так просто. В случае очень гладких поверхностей проявляется еще один фактор увеличивающий трение. Это межмолекулярное притяжение. При очень тонкой обработке материала, молекулы вещества двух тел находятся настолько близко друг к другу, что возникают настолько сильные силы притяжения, что они препятствуют движению тел друг относительно друга.
Конечно же, на величину силы трения влияет и сила, которая прижимает тела друг к другу. Чем она выше, тем выше сила трения. Если вы зимой катите, пустые санки по снегу это выходит достаточно легко. Если на санках будет сидеть ребенок, тащить их будет уже сложнее. Ну а если в них сядет взрослый, вы уже дважды подумаете, а стоит ли их тащить вообще. Во всех этих случаях качество поверхности полозьев санок и поверхность снега неизменна. А вот сила тяжести разная, что и приводит к увеличению силы трения.
Кроме трения скольжения еще существует и сила трения качения. Опять же в названии скрыта и суть явления. То есть это, то трение, которое возникает во время качения одного объекта по поверхности другого. Трение качения во много раз меньше трения скольжения.
Представьте себе металлический шарик, катящийся по поверхности стола. Из-за деформации стола, да и самого шарика, место контакта между ними представляет не точку, а некоторую поверхность. В результате точка приложения реакции опоры смещается от центра равновесия немного вперед. А реакции опоры немного назад. В результате Нормальная часть реакции опоры компенсируется силой тяжести, а тангенциальная составляющая и есть той силой трения качению.
Трение – один из видов взаимодействия тел. Оно возникает при соприкосновении двух тел. Трение, как и все другие виды взаимодействия, подчиняетсятретьему закону Ньютона : если на одно из тел действует сила трения, то такая же по модулю, но направленная в противоположную сторону сила действует и на второе тело. Силы трения, как иупругие силы , имеютэлектромагнитную природу. Они возникают вследствие взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел.
Силами сухого трения называют силы, возникающие при соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки. Они всегда направлены покасательной к соприкасающимся поверхностям.
Сухое трение, возникающее при относительном покое тел, называют трением покоя . Сила трения покоя всегда равна по величине внешней силе и направлена в противоположную сторону (рис. 1.1.6).
Сила трения покоя не может превышать некоторого максимального значения (F тр) max . Если внешняя сила больше (F тр) max , возникает относительное проскальзывание. Силу трения в этом случае называютсилой трения скольжения . Она всегда направлена в сторону, противоположную направлению движения и, вообще говоря, зависит от относительной скорости тел. Однако, во многих случаях приближенно силу трения скольжения можно считать независящей от величины относительной скорости тел и равной максимальной силе трения покоя. Эта модель силы сухого трения применяется при решении многих простых физических задач (рис. 1.1.7).
Опыт показывает, что сила трения скольжения пропорциональна силе нормального давления тела на опору, а следовательно, и силе реакции опоры
|
Коэффициент пропорциональности μ называют коэффициентом трения скольжения.
Коэффициент трения μ – величина безразмерная. Обычно коэффициент трения меньше единицы. Он зависит от материалов соприкасающихся тел и от качества обработки поверхностей. При скольжении сила трения направлена по касательной к соприкасающимся поверхностям в сторону, противоположную относительной скорости (рис. 1.1.8).
При движении твердого тела в жидкости или газе возникает силa вязкого трения . Сила вязкого трения значительно меньше силы сухого трения. Она также направлена в сторону, противоположную относительной скорости тела.При вязком трении нет трения покоя .
Сила вязкого трения сильно зависит от скорости тела. При достаточно малых скоростях F тр ~ υ, при больших скоростях F тр ~ υ 2 . При этом коэффициенты пропорциональности в этих соотношениях зависят от формы тела.
Силы трения возникают и при качении тела. Однако силы трения качения обычно достаточно малы. При решении простых задач этими силами пренебрегают.
1. Для того чтобы тело (книгу, лежащую на столе, ящик, стоящий на полу, и т.п.) сдвинуть с места, к нему нужно приложить силу. При этом при постепенном увеличении силы тело какое-то время будет оставаться в покое, а при определённом значении приложенной силы начнёт перемещаться. Силу, возникающую при непосредственном соприкосновении двух тел, называют силой трения . Эта сила всегда направлена вдоль поверхности соприкосновения.
На книгу, лежащую на столе, действуют в вертикальной плоскости уравновешивающие друг друга силы тяжести \(\vec{F}_т \) , и упругости (реакции опоры), в горизонтальной плоскости действует приложенная к ней сила \(\vec{F} \) . Поскольку книга какое-то время остается неподвижной, то это значит, что в горизонтальной плоскости действует ещё одна сила, равная по модулю силе \(\vec{F} \) и направленная в противоположную ей сторону. Этой силой является сила трения покоя . Чем большая сила прикладывается к телу (пока оно не движется), тем больше сила трения покоя.
Сила трения покоя равна по модулю и направлена противоположно силе, приложенной к покоящемуся телу параллельно поверхности его соприкосновения с другим телом.
2. При некотором значении приложенной к телу силы \(\vec{F} \) оно приходит в движение. В момент начала движения бруска сила трения покоя имеет максимальное значение \(\vec{F}_{тр.max} \) , которое равно силе трения скольжения. Чем больше сила давления тела на поверхность соприкосновения тел перпендикулярно этой поверхности (сила нормального давления), тем больше максимальная сила трения покоя, т.е. \((F_{тр})_{max}=\mu N \) , где \(\mu \) - коэффициент трения.
Максимальная сила трения покоя прямо пропорциональна силе нормального давления.
Сила трения покоя препятствует началу движения тела. С другой стороны, сила трения покоя может быть причиной ускорения движения тела. Так, при ходьбе сила трения покоя \(F_{тр} \) , действующая на подошву, сообщает нам ускорение. Сила \(F \) , равная по модулю силе трения покоя и направленная в противоположную сторону, сообщает ускорение опоре.
3. При движении тела на него тоже будет действовать сила трения, её называют силой трения скольжения . Сила трения скольжения - сила, действующая при скольжении одного тела по поверхности другого и направленная в сторону, противоположную перемещению тела. Она несколько меньше максимальной силы трения покоя и направлена в сторону, противоположную перемещению тела относительно соприкасающегося с ним тела.
Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормального давления: \((F_{тр})_{max}=\mu N \) . В этой формуле \(N \) - сила нормального давления, т.е. сила, действующая перпендикулярно поверхности соприкасающихся тел; \(\mu \) - коэффициент трения. Коэффициент трения характеризует поверхности соприкасающихся тел. Он определяется экспериментально и приводится в таблицах.
Причиной трения являются неровности поверхностей. В случае хорошо отшлифованных поверхностей молекулы, находящиеся на поверхностях тел, располагаются близко друг к другу, и силы межмолекулярного взаимодействия достаточно велики.
4. Если тело катится по поверхности другого тела, то на него тоже действует сила трения. Это - сила трения качения . Она прямо пропорциональна силе нормального давления (реакции опоры) \(N \) и обратно пропорциональна радиусу \(R \) катящегося тела: \(F_{кач}=\mu\frac{N}{R} \) , где \(\mu \) - коэффициент трения качения.
5. Существует целый ряд практических задач, в которых необходим учёт силы трения. Особенно важными являются задачи, связанные с движением транспорта. Хорошо известно, что для избежания аварий следует сохранять определённую дистанцию между автомобилями; в дождливую погоду или в гололедицу она должна быть больше, чем в сухую погоду.
Расстояние, которое проезжает автомобиль при торможении до полной остановки, называют тормозным путём. Рассчитывается тормозной путь но формуле \(s=\frac{v^2}{2a} \) .
Часть 1
1. При измерении коэффициента трения брусок перемещали но горизонтальной поверхности стола и получили значение силы трения \(F_1 \) . Затем на брусок положили груз, масса которого в 2 раза больше массы бруска, и получили значение силы трения \(F_2 \) . При этом сила трения \(F_2 \)
1) равна \(F_1 \)
2) в 2 раза больше \(F_1 \)
3) в 3 раза больше \(F_1 \)
4) в 2 раза меньше \(F_1 \)
2. В таблице приведены результаты измерений силы трения и силы нормального давления при исследовании зависимости между этими величинами.
Закономерность \(\mu=N/F_{тр} \) выполняется для значений силы нормального давления
1) только от 0,4 Н до 2,0 Н
2) только от 0,4 Н до 3 Н
3) только от 0,4 Н до 4,5 Н
4) только от 2,0 Н до 4,5 Н
3. При измерении силы трения брусок перемещали по горизонтальной поверхности стола и получили значение силы трения \(F_1 \) . Затем брусок перемещали, положив его на стол гранью, площадь которой в 2 раза больше, чем в первом случае, и получили значение силы трения \(F_2 \) . Сила трения \(F_2 \)
1) равна \(F_1 \)
2) в 2 раза больше \(F_1 \)
3) в 2 раза меньше \(F_1 \)
4) в 4 раза меньше \(F_1 \)
4. Два деревянных бруска массой \(m_1 \) и \(m_2 \) скользят по горизонтальной одинаково обработанной поверхности стола. На бруски действует сила трения скольжения \(F_1 \) и \(F_1 \) соответственно. При этом известно, что \(F_2=2F_1 \) . Следовательно, \(m_1 \)
1) \(m_1 \)
2) \(2m_2 \)
3) \(m_2/2 \)
4) ответ зависит от значения коэффициента трения
5. На рисунке приведены графики зависимости силы трения от силы нормального давления. Сравните значения коэффициента трения.
1) \(\mu_2=\mu_1 \)
2) \(\mu_2>\mu_1 \)
3) \(\mu_2<\mu_1 \)
4) \(\mu_2>>\mu_1 \)
6. Учащийся выполнял эксперимент по измерению силы трения, действующей на два тела, движущихся по горизонтальным поверхностям. Масса первого тела \(m_1 \) , масса второго тела \(m_2 \) , причем \(m_1 =2m_2 \) . Он получил результаты, представленные на рисунке в виде диаграммы. Какой вывод можно сделать из анализа диаграммы?
1) сила нормального давления \(N_2=2N_1 \)
2) сила нормального давления \(N_1=N_2 \)
3) коэффициент трения \(\mu_1=\mu_2 \)
4) коэффициент трения \(\mu_2=2\mu_1 \)
7. Два автомобиля одинаковой массы движутся один но асфальтовой дороге, а другой - по грунтовой. На диаграмме приведены значения силы трения для этих автомобилей. Сравните значения коэффициента трения (\(\mu_1 \) и \(\mu_2 \) ).
1) \(\mu_2=0.3\mu_1 \)
2) \(\mu_2=\mu_1 \)
3) \(\mu_2=1.5\mu_1 \)
4) \(\mu_2=3\mu_1 \)
8. На рисунке приведён график зависимости силы трения от силы нормального давления. Чему равен коэффициент трения?
1) 0,5
2) 0,2
3) 2
4) 5
9. Санки весом 3 кг скользят по горизонтальной дороге. Сила трения скольжения их полозьев о дорогу 6 Н. Чему равен коэффициент трения скольжения полозьев о дорогу?
1) 0,2
2) 0,5
3) 2
4) 5
10. При движении тела массой 40 кг по горизонтальной поверхности действует сила трения скольжения 10 Н. Какой станет сила трения скольжения при уменьшении массы тела в 5 раз?
1) 1 Н
2) 2 Н
3) 4 Н
4) 5 Н
11. Установите соответствие между физической величиной (левый столбец) и характером её изменения (правый столбец) при увеличении массы бруска, движущегося по столу. В ответе запишите подряд номера выбранных ответов
ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A. Сила трения
Б. Коэффициент трения
B. Сила нормального давления
ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ
1) уменьшается
2) увеличивается
3) не изменяется
12. Из приведённых ниже утверждений выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.
1) Сила трения покоя больше приложенной к телу силе.
2) Сила трения качения меньше силы трения скольжения при той же массе тела.
3) Коэффициент трения скольжения прямо пропорционален силе нормального давления.
4) Сила трения зависит от площади опоры движущегося тела при одинаково обработанной его поверхности.
5) Максимальная сила трения покоя равна силе трения скольжения.
Часть 2
13. Автомобиль, имея скорость 72 км/с, начинает тормозить с выключенным двигателем и проходит путь 100 м. Чему равны ускорение автомобиля и время торможения?
Ответы
