Исследовательская работа на тему: "Сила трения"

1. Введение

Цель данной работы – изучить вопросы, связанные с возникновением трения. Эта  тема, казалось бы, давно известная, остаётся по-прежнему актуальной, так как вопрос о силе трения  полностью не решен ни физиками, ни математиками, тогда как трение - одна из важнейших проблем, например, для машиностроения. Задача работы – провести эксперименты, позволяющие исследовать от чего зависит сила трения.  Таким образом, объектом исследования является трение.

Гипотеза: мир без трения был бы не узнаваем и ужасен. Не было бы развития цивилизации, ведь наши предки с помощью него добывали огонь. Технический прогресс при отсутствии колеса должен был стать каким-то другим. Кроме того, возможно, что трение - один из  источников внутреннего тепла Земли.

Практическая значимость работы состоит в том, что она посвящена теории трения, которая до сих пор не является завершенной. Но  для того, чтобы привлечь новых будущих  исследователей их нужно заинтересовать проблемой. А для этого можно использовать материал данной работы.

Новизной в работе будет гипотеза об уменьшении молекулярного трения под  большими горными массивами из-за большого давления. А это должно приводить к увеличению их подвижности. То есть повышать возможность землетрясений.

                                2. Основные вопросы теории трения

                                           2.1.  Мир без трения

Давайте вначале немного пофантазируем и представим, что было бы, если бы трение исчезло? Движущийся автомобиль не сможет остановиться, а неподвижный тронуться с места. Пешеходы упадут на асфальт и не смогут подняться. Кроме того, где пол ниже. они неожиданно окажутся голыми, так как нитки в тканях удерживаются трением. Вся мебель в комнате соскользнёт в один угол.  Тарелки и стаканы также будут соскальзывать со стола. Гвозди и шурупы выскочат из стен. Ни одну вещь нельзя будет удержать в руках. Взять и перевернуть страницу книги тоже станет проблемой [1].

Интересно придумано и рассказано о мгновенном сильном уменьшении трения в книге для детей «Остров неопытных физиков» [2]. «Все части автомобиля, основанные на использовании трения – тормоза, сцепление, приводной ремень, - перестали работать, а те части, для которых трение было помехой стали двигаться ещё быстрее. Поэтому двигатель продолжал работать и даже увеличил число оборотов – трение в цилиндрах и подшипниках уже не тормозило его…». Но автомобиль не мог  двигаться, так как исчезло трение между шинами и асфальтом. Таким образом, колёса вертелись, а машина стояла месте. Описание такого же мира дано в стихотворении:

       В вот, что пишет известный швейцарский физик, лауреат Нобелевской премии Шарль Гийом: «Вообразим, что трение может быть устранено совершенно. Тогда никакие тела, будь они величиной с каменную  глыбу или малы, как песчинка, никогда не удержится одно на другом: всё будет скользить и катиться, пока не окажется на одном уровне. Не будь трения, Земля представляла бы шар без неровностей, подобно жидкому».

                                   2.2. Две причины возникновения трения

Два самых главных изобретения – колесо (рис.1) и добывание огня (рис.2) - связаны именно со стремлением уменьшить или увеличить эффект трения.

Трение - следствие многих причин. Главные из них - две. Во-первых, зазубрины одной поверхности цепляются за шероховатости другой. Это так называемое геометрическое трение (рис.3). Во-вторых, молекулярное трение, когда поверхности обоих тел достаточно гладкие. В этом случае начинает сказываться притяжение между их молекулами (рис.4).  Наука, изучающая трение называется трибологией (от греч."трибос"-  трение). Трение - механическое сопротивление движению, возникающее в месте касания двух прижатых друг к другу тел при их  перемещении одного относительно другого. Сила сопротивления F, направленная противоположно  перемещению тела, называется силой трения. Законы сухого трения  сформулировал в 1781 году Ш. О. Кулон (1736 - 1806). Они были определены опытным путём. Но ещё задолго до этого, среди бесчисленных научных и творческих достижений Леонардо да Винчи была и формулировка законов трения. Амонтон и Кулон ввели понятие коэффициента трения как отношения силы трения к нагрузке. Этот коэффициент определяет силу трения для любой пары контактирующих материалов. Обозначается греческой буквой μ [мю]. До сих пор   формула:

                                                                         F_тр =µР ,

  где Р - сила прижатия или вес тела, a F_тр - сила трения, является главной формулой. Её вариант:

                                                                   Fтр =μN,

где N – сила реакции опоры. [3].  N=Р.  Чертёжи, на которых изображены все силы, действующие на брусок, см. на рис. 5.

    Коэффициент трения зависит не только от того, какие материалы контактируют, но и от того, насколько гладко обработаны контактирующие поверхности.  Более точно формулу можно записать, учитывая молекулярное трение:

                                                                 F = μ(N +S p₀),

где р₀ – добавочное давление, вызванное силами молекулярного притяжения.

                                                        2.3. Виды трения

Существует трения покоя, скольжения и качения. Выяснилось, что обычно сила трения скольжения при медленном движении меньше силы трения покоя (то есть страгивания с места). Кулон изучал именно силу трения при медленном движении тел и установил, что эта сила не зависит от величины скорости, а только от направления движения. Самым маленьким является трение качения. Поэтому при перемещении тяжелых предметов (корабли по суше, каменные блоки для строительства) люди подкладывали под них катки (обычные брёвна). Круглый предмет (например, бочку) легче катить, чем волочить. На этом же основано применение в технике подшипников: шариковых и роликовых (рис.6) [4].

Другой пример из практики, о различиях в применении видов трения: если автомобиль тормозит скольжением (юзом), то тормозной путь  длиннее, чем при торможении качением, когда колесо вращается и своей поверхностью хорошо цепляется за дорожное покрытие. Это должен помнить и водитель, и пешеходы, переходящие улицу!

                                  3.  Современная картина трения

Как образно выразился один из основателей  науки о трении, Ф. Боуден, «наложение двух твердых тел одного на другое подобно наложению перевернутых швейцарских Альп на австрийские Альпы – площадь контакта оказывается очень малой» (рис.7). Фотографии различных поверхностей, полученные с помощью микроскопов, подтверждают сравнение с горами (рис. 8,9). При попытке движения остроконечные «горные пики» цепляются друг за друга и сминают  свои вершины. При попытке сдвига в горизонтальном направлении один пик начинает прогибать другой, то есть сначала попытается сгладить дорогу (рис. 10 а), а потом уже скользить по ней (рис. 10 б). Если тянуть тело динамометром с постоянной скоростью, то окажется, что само тело при этом движется рывками. Движение оказывается колебательным: залипание и скольжение поочерёдно сменяют друг друга.

                              4. Вибрационное сглаживание

Иногда бывает важно исключить движение рывками. Например, робот- сварщик должен плавно вести сварочный аппарат вдоль сварочного шва. Если он будет дёргаться, то в одном месте будет перегрев и свариваемые пластины искорёжатся, а в другом  - сварка не произойдёт совсем, так как аппарат слишком быстро проскочит вперёд. Одним из путей борьбы с этими рывками  может служить вибрационное сглаживание. Под действием быстрых вибраций  сухое трение начинает напоминать жидкое, так как частицы из-за тряски хуже дотрагиваются друг до друга и сыпучий материал из твердых частиц начинает себя вести как  жидкий. И в частности может легко перемещаться. И здесь тоже могут быть негативные примеры. Пересекая Ладожское озеро в осенние бурные дни, некоторые корабли, перевозившие зерно, начинали сильно раскачиваться с борта на борт и опрокидывались. Выяснилось, что проектировщики считали, будто зерно в трюме будет лежать неподвижно за счёт сухого трения, сцепляющего отдельные зерна между собой. Но вибрации делали сыпучий материал подобным жидкому.   Зерно начинало вести себя как жидкость, наваливаясь при перевозке на наклонный борт корабля, вызывая его опрокидывание. Как только эффект был понят, трюмы поделили на отсеки, как в тех кораблях, что перевозят настоящие жидкости [3].

                                                     5. Жидкое трение

При движении твёрдого тела в жидкости или газе на него действует сила сопротивления среды, которую можно считать особым видом силы трения. Эта сила направлена против движения тела и тормозит его. Главная особенность силы сопротивления состоит в том, что она возникает только при движении тела. Она зависит от его скорости тела, а также от формы и размеров. Поэтому, например, автомобилям придают обтекаемую форму, особенно гоночным. Кроме того сила сопротивления зависит от состояния поверхности тела и вязкости среды, в которой оно движется. В  жидкостях и газах силы трения покоя нет [5].

Жидкое трение намного меньше сухого, так как молекулы жидкости могут легко перемещаться относительно друг друга. Поэтому для уменьшения трения успешно применяют смазку.

                                                       5.1. Износ. Смазка

В результате трения детали механизмов истираются и поверхности разрушаются. Одним из методов борьбы с износом  является  смазка. При этом обе трущиеся поверхности покрываются защитными пленками из молекул смазки.  Коэффициент трения снижается. Это происходит потому, что молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, по сравнению с молекулами твёрдого тела. Следовательно, при наличии смазки между  трущимися поверхностями они легко скользят относительно друг друга. В настоящее время  разрабатываются препараты, позволяющие в процессе эксплуатации, не производя полной разборки узлов и агрегатов, частично восстанавливать изношенные поверхности трения с одновременным повышением их износостойкости [6].

                                                     5.2.  Аквапланирование

Аквапланирование выглядит так: на мокрой дороге шина скользит по воде, как глиссер, то есть контакт колеса с дорогой исчезает. Автомобиль теряет управляемость.  Исследования выявили, что по мере роста скорости перед колесом появляется водяной валик, а снизу появляется  водяной клин. С ростом скорости эффект нарастает. При этом машина движется не по асфальту, а как бы  «плывёт» по воде (рис. 11).

                                        6. Авторские эксперименты и исследования

      Помимо изучения теоретического материала  авторы работы провели ряд экспериментов, позволяющих самостоятельно определять F_тр и  зависимость коэффициента трения от тех или иных физических величин или условий [7]. Результаты см. в приложении.

1.         Сравнение силы трения покоя, скольжения и качения (табл.1). Фото.1,2.

2.         Исследование зависимости силы трения от  площади контакта. Для этой цели брусок  во втором опыте положили на другой бок (табл.2). Фото. 3.

3.         Зависимость силы трения от нагрузки (веса бруска и грузов) или иначе от силы реакции опоры N (табл. 3).

4.         Зависимость от рода вещества и условий обработки двух поверхностей (табл. 4-7).

5.         Сида трения F_тр (или коэффициент трения m) практически не зависит от скорости при малых относительных скоростях движения соприкасающихся поверхностей. Но согласно изученным теоретическим  материалам с  ростом скорости сила трения слегка уменьшается.

Общие выводы:

1.         Сила трения F_тр практически не зависит от площади  контакта и от скорости (при малых скоростях).

2.         Сила трения F_тр зависит от нагрузки (N=Р), от рода вещества и условий обработки поверхностей. Обычно  значения коэффициентов трения лежат  в пределах  от 0,1 до 1,05 (0,1<m<1,05).

3.         Значение силы трения  в порядке уменьшения:  трение покоя, скольжения, качения.  F_{тр покоя}> F_{тр ск.}> F_{тр кач.}

                                                   7. Региональный компонент

       В  сентябре 2002  в Северной Осетии  сошёл ледник Колка. Ледово-грязе-каменный поток продвинулся почти на 20 км по долине реки Геналдон со скоростью порядка 150-200 км/ч, разрушив строения, базы отдыха, линии электропередач.   Основные предположения о причинах этой катастрофы заключаются в том, что произошла внезапная подвижка, обусловленная комплексом причин сейсмического, вулканического и метеорологического характера. Данный ледник относится  к категории пульсирующих.  На момент катастрофы он ещё не «созрел» для падения. Это подтверждалось данными съёмок из космоса.  Таким образом, силы трения покоя удерживали всю массу ледника, Но в результате внешнего воздействия типа удара или взрыва  на  всю массу снега произошёл процесс, аналогичный вибрационному сглаживанию. Схема процесса: удар, частицы приподнялись вверх, нагрузка Р уменьшилась и, следовательно,  трение тоже стало меньше.

       8. Авторская гипотеза о влиянии межмолекулярного отталкивания

        При движении одних тел по поверхности других возникает трение. Это происходит, когда  шероховатости одной поверхности цепляются за шероховатости другой  или  когда гладкие поверхности начинают прилипать друг к другу за счет межмолекулярного притяжения. Но, как известно, между молекулами существует не только взаимное притяжение. Если молекулы окажутся слишком близко друг к другу, то они будут отталкиваться.  Гипотеза состоит в следующем: очень тяжелые литосферные плиты с материками и горными системами оказывают на нижележащие слои настолько огромное давление, что начинает сказываться отталкивание молекул. Это приводит к дополнительной подвижности нагруженных областей плиты, по сравнению с менее  нагруженными и, следовательно, менее подвижными  окраинами.  Результатом это будет невозможность   движения всего комплекса, как единого целого.  В таком случае появятся  дополнительные нагрузки  отдельных областей, что может приводить к  землетрясениям, снимающим  возникающие механические напряжения. 

                                                           9. Заключение

     Только в США над данной темой в настоящее время работают 1000 исследователей, а в мировой науке публикуется более 700 статей ежегодно.  Но как остроумно подметил известный физик Р. Фейнман - все наши измерения для определения коэффициентов трения фактически являются рассмотрением случаев трения "грязь по грязи". Микроскопы различных конструкций показывают сложность проблемы. На рис.11 представлен атомно-силовой микроскоп.  Даже для него существует проблема, которая состоит в том, что на воздухе поверхность образца покрывается парами воды толщиной до 20-30 молекул. Таким образом, данная тема позволяет работать над ней ещё долгие годы многим исследователям. И авторам этой работы  также удалось не только провести стандартные эксперименты и убедиться в точности уже известных сведений о силе трения, но и высказать свою научную гипотезу о роли молекулярного трения.

                                                                10. Литература

1.              Агаян В. Дазен Н. Что произойдет, если исчезнет трение?// Квант. №5. 1990.

2.                   Домбровский К. И. Остров неопытных физиков. – М.: Детская литература , 1973.

3.       Первозванский  А.А. Трение - сила знакомая,  но таинственная.//Соросовский Образовательный Журнал.  №2.1998. 

4.              Перышкин А.В. Физика – 7. – М..: Дрофа, 2008.

5.              Матвеев  А.  Трибоника или  капля  смазки.// Юный  техник, №1.1987.

6.               Кравчук  А.С. Трение."Современное  естествознание″,т.З.М.:Магистр -Пресс. 2000.

     7.   Солодушко А.Д. Эксперимент при изучении силы трения.//Физика в школе. №5.2001