Конспект по физике по теме "Сила трения" (10 класс)

Сила трения. Движение тела под действием силы трения.

Силы трения - силы, действующие между соприкасающимися поверхностями и препятствующие относительному перемещению тел.

Силы сухого трения возникают между несмазанными поверхностями твердых тел.

Силы трения имеют электромагнитную природу. Причиной трения являются шероховатости поверхностей. Многочисленные выступы цепляются друг за друга, деформируются и препятствуют относительному перемещению тел.

При скольжении одного тела по поверхности другого происходит «скалывание» бугорков и разрыв молекулярных связей, не способных выдержать возросшую нагрузку. Обнаружить «скалывание» бугорков не представляет труда: его результатом является износ трущихся деталей.

Силы трения ( как и все силы в механике) имеют:

1.      Точку приложения.

Точкой приложения силы трения является точка тела, лежащая на поверхности соприкосновения трущихся тел.

2.      Направление.

Сила трения направлена вдоль поверхности соприкосновения взаимодействующих тел, противоположно их относительному перемещению.

3.       Величину.

 Виды сил трения:

1)      Сила трения покоя.

Подействуем на тело, лежащее на горизонтальной поверхности с силой , параллельной поверхности соприкосновения. Кроме того, на тело действует сила тяжести со стороны Земли и уравновешивающая ее сила реакции опоры, вызванная деформацией поверхности  и направленная перпендикулярно поверхности соприкосновения. Если сила  недостаточно велика, то тело остается в покое.

Это означает, что вместе с силой  на тело действует еще одна сила, равная ей численно, но направленная в противоположную сторону. Эту силу называют силой трения покоя.

Сила трения покоя – сила, действующая на данное тело со стороны соприкасающегося с ним другого тела вдоль поверхности соприкосновения тел в случае, когда тела покоятся друг относительно друга.

Сила трения покоя возникает:

1)    При покое тела ();

2)      При наличии силы, стремящейся обеспечить движение тела.

Согласно III закону Ньютона: .

На основании II закона Ньютона можно записать:

ОX: .

Если  то .

Если будем увеличивать модуль силы F, то и модуль силы трения покоя  увеличивается.

Следовательно, величина и направление силы трения определяется величиной и направлением той силы, которая должна была бы вызвать скольжение. Сила трения покоя всегда равна по модулю и направлена противоположно силе, приложенной к телу параллельно поверхности соприкосновения его с другим телом.

Наконец, при некотором значении силы F тело сдвинется и начнет скользить. Существует, следовательно, определенная максимальная сила трения покоя. До тех пор пока внешняя сила остается меньше максимальной силы трения покоя, скольжение не возникает. И только тогда, когда параллельная поверхности сила становится хотя бы немного больше ее, тело получает ускорение.

Если  то .

Следовательно, сила трения покоя может принимать любые значения от 0 до  в зависимости от изменения силы тяги: .

Выясним, от чего зависит максимальная сила трения покоя. Для этого положим на брусок сверху гирю и будем прикладывать силу  , параллельную поверхности соприкосновения. При этом модуль максимальной силы, необходимой для того, чтобы сдвинуть тело (а, следовательно, модуль ) увеличивается по сравнению с ненагруженным телом. Следовательно, можно сделать вывод, что величина максимальной силы трения покоя зависит от величины силы нормального давления (веса тела). С учетом III закона Ньютона можно записать:

 – коэффициент пропорциональности – коэффициент трения. Законы сухого трения были сформулированы Ш.Кулоном.

Коэффициент трения характеризует не тело, на которое действует сила трения, а сразу два тела, трущиеся друг о друга. Обычно <1, то есть сила трения меньше силы давления. По этой причине любое тело легче перемещать волоком, чем поднимать или переносить.

 зависит:

1)      От материала, из которого изготовлены соприкасающиеся тела;

2)      Качества обработки поверхностей.

Коэффициент трения не зависит от площади соприкосновения поверхностей.

2)      Сила трения скольжения.

Когда внешняя сила F, направленная параллельно поверхности соприкосновения тел, достигает величины , возникает скольжение. При этом сила трения продолжает существовать. Она называется в этом случае силой трения скольжения.

При этом согласно III закону Ньютона: .

На основании II закона Ньютона можно записать:

ОX:  (при малых относительных скоростях движения).

.

Для случая движения тела по горизонтальной поверхности, в проекции на ось ОУ имеем:    N = mg → .

В случае если тело двигается по наклонной плоскости, проекция сил на ось ОУ имеет вид:

 N = mg cos α → .

Если тело двигается вниз без ускорения, то в проекции он ось ОХ имеем: .

Следовательно: .

Для того чтобы определить коэффициент трения можно воспользоваться правилом Амонтона: коэффициент трения численно равен тангенсу угла наклона плоскости, при котором тело начинает скользить.

Сила трения скольжения зависит от:

1)      Материала, из которого сделаны тела;

2)      Состояния трущихся поверхностей;

3)      Относительной скорости движения тел (эта зависимость представлена на графике);

4)      Силы нормального давления.

Сила трения скольжения не зависит от:

1)      Площади соприкосновения трущихся поверхностей;

2)      Относительного положения тел;

3)      Скорости движения тела.

Следовательно, сила трения зависит не от положения тела, а от его относительной скорости. Эта зависимость состоит в том, что при изменении направления скорости изменяется и направление силы трения.

Сила трения скольжения всегда направлена противоположно направлению скорости движения тела относительно соприкасающегося с ним тела. Объясним это с помощью рисунка, на котором изображено тело, скользящее по поверхности. Тело движется относительно поверхности со скоростью , направленной вправо. К телу приложена сила трения скольжения, направленная влево. Поверхность движется относительно тела со скоростью , направленной влево. При этом к поверхности приложена сила трения, направленная вправо.

Ускорение, сообщаемое телу силой трения, также направлено противоположно направлению его относительной скорости, то есть сила трения скольжения всегда приводит к уменьшению относительной скорости тела.

3)      Сила трения качения.

Если одно из тел имеет шарообразную или цилиндрическую форму, то оно может катиться по поверхности другого. При этом возникает сила трения качения, аналогичная силе трения скольжения. При этом:

4)      Сила сопротивления движению – сила, учитывающая все силы трения и сопротивления в движущемся транспорте. Коэффициент трения учитывает все силы трения и сопротивление.

5)      Сила сопротивления жидкостей и газов.

При движении твердого тела в жидкости или газе тоже возникает сила, тормозящая движение – сила жидкого трения.

Сила жидкого трения направлена параллельно поверхности соприкосновения твердого тела с жидкостью (газом) в сторону, противоположную скорости тела относительно среды. Эта сила также тормозит движение.

Сила жидкого трения обычно значительно меньше силы сухого трения. Именно поэтому для уменьшения сил трения применяют смазку.

В жидкости и газе нет силы трения покоя. Это значит, что даже самая малая сила, приложенная к телу в жидкости или газе, сообщает ему ускорение.

Отсутствие в жидкости силы трения легко наблюдать на следующем опыте. Небольшой деревянный брусок, положенный на поверхность воды, легко привести в движение даже маленькой силой (достаточно на него подуть). Но если тот же брусок положить на стол, то его можно привести в движение, только приложив к нему достаточно большую силу, которая должна превышать максимальную силу трения покоя.

Сила жидкого трения зависит от:

1)      Размеров, формы и состояния поверхности тела. Для того, чтобы уменьшить силу сопротивления жидкости или газа телам придают обтекаемую форму (форму капли), а их поверхности тщательно обрабатывают;

2)      Свойств среды, в которой движется тело (вязкости);

3)      Относительной скорости движения тела и среды.

Рассмотрим характер зависимости модуля силы жидкого трения от модуля относительной скорости тела. Если тело неподвижно относительно вязкой среды (относительная скорость равна нулю), то сила трения равна нулю. С увеличением относительной скорости сила жидкого трения сначала растет медленно. При малых скоростях движения в жидкости (газе) силу жидкого трения можно считать приближенно прямопропорциональной скорости движения тела относительно среды:

При больших скоростях относительного движения тела сила жидкого трения пропорциональна квадрату скорости:

 и  - коэффициенты сопротивления (зависят от формы, размеров и состояния поверхности тела, а также свойств среды).

Си: []→ 1 кг/с;        Си: []→ 1 кг/м.

Какую именно формулу следует применить в данном конкретном случае, устанавливают опытным путем.

6)      Сила внутреннего трения.

Силы внутреннего трения или силы вязкости, возникают между слоями газа и жидкости, движущимися относительно друг друга. При этом возникают силы, замедляющие движение одних слоев и ускоряющие движение других.

Движение тела под действием силы трения:

Сила трения во всех случаях препятствует относительному движению соприкасающихся тел. Действие силы трения приводит к уменьшению абсолютного значения скорости тела.  Отсюда следует, что ускорение, которое сила трения сообщает телу, движущемуся по неподвижной поверхности, направлено против относительной скорости.

Если на тело, которое скользит по неподвижной поверхности, никакие силы, кроме силы трения не действуют, то оно, в конце концов, останавливается.

Рассмотрим автомобиль в момент торможения. На автомобиль действует только постоянная сила трения, так как сила тяжести скомпенсирована силой реакции дороги. Пусть сила сопротивления воздуха пренебрежимо мала. Через некоторое время t автомобиль пройдет расстояние l – так называемый тормозной путь, и остановится. Найдем время t, нужное для остановки, и расстояние l, которое пройдет автомобиль после выключения двигателя.

Под действием силы трения автомобиль будет двигаться с ускорением .

ОХ: .

 – время, в течении которого будет двигаться автомобиль до остановки.

 – тормозной путь.

Для остановки движущихся тел нужны время и пространство.

При некоторых условиях силы трения делают движение просто невозможным. Однако роль сил трения не сводится к тому, чтобы тормозить движение тел. В ряде практически очень важных случаев движение не могло бы возникнуть без действия сил трения. Это можно проследить на примере движущегося автомобиля.

Сила трения , действующая со стороны земли на ведомые колеса, и сила сопротивления воздуха  направлены в сторону противоположную движению и способны только затормозить движение. Единственной внешней силой, способной увеличить скорость автомобиля, является сила трения  , действующая на ведущие колеса. Не будь этой силы, автомобиль буксовал бы на месте, несмотря на вращение ведущих колес. Точно такая же сила трения покоя, действующая на ступни ног, сообщает нашему телу ускорение, необходимое для начала движения или остановки.

Работа двигателя, приводящего во вращение ведущие колеса, или усилия мышц ноги вызывают появление сил трения покоя. Эти силы возникают лишь при условии, что какие-нибудь другие силы стремятся вызвать относительное движение тел (шин или ступней ног относительно земли). Препятствуя проскальзыванию, сила трения покоя ускоряет машину или наше тело. Но без усилия со стороны двигателя или мышц ног увеличение скорости за счет сил трения невозможно.

Краткое описание документа:

Конспект для § 36-38. Рассматриваются различные виды трения.