Проект по физике
«Сила трения. Тормозной путь.»
Оглавление
1.2. Актуальность темы исследования
2.2. Понятие тормозной путь автомобиля
2.3. Особенности тормозного пути. Все что нужно знать
2.4. Влияние механизмов управления и тормозной системы на эффективность и безопасность
4. Список используемых источников
Конечная цель физики —
описать вселенную одним-единственным уравнением, которое могло бы уместиться на
майке.
Леон Ледерман
Ответы на эти и многие другие вопросы, связанные с движением тел, дают законы механики.
Гипотеза исследования. Тормозной путь зависит от скорости и от коэффициента сцепления шин с дорогой.
Основная цель данного проекта: исследовать факторы, от которых зависит тормозной путь.
Задачи:
1. Изучить литературу по данному вопросу.
2.Провести анкетирование с целью выявить осведомленность по теме исследования у одноклассников и систематизировать полученную информацию.
3.Выяснить зависимость тормозного пути от скорости и коэффициента сцепления шин с дорогой.
4.Организовать эксперименты, подтверждающие зависимости тормозного пути от скорости и коэффициента сцепления шин с дорогой.
5.Продумать и создать демонстрационные эксперименты, доказывающие зависимость тормозного пути от скорости транспорта и от коэффициента сцепления шин с дорогой.
6. Нарисовать информационные картинки по физике «Занимательная физика. Сила трения. Тормозной путь»
7. Составить презентацию с фотоотчетом по проекту.
Для достижения поставленных целей над данным проектом работали по следующим направлениям:
1) Теоретический анализ проблемы исследования
2) Анкетирование;
3) Эксперимент;
4) Информационные картинки по физике «Занимательная физика. Сила трения. Тормозной путь»
5) Презентация с фотоотчетом
4) Выводы.
Практическая значимость Данный проект может быть использован в качестве учебного пособия на уроках физики при изучении соответствующих тем, на занятиях кружков и секций.
Проект может быть предложен в качестве самостоятельного источника информации для подготовки сообщений учащимися.
Электронная презентация проекта и информационные картинки по физике «Занимательная физика. Сила трения. Тормозной путь» может быть использована в качестве наглядного пособия при изучении темы и повышения интереса к изучению физических явлений.
Научный интерес заключается в том, что в процессе изучения данного вопроса получены некоторые сведения о практическом применении явления тормозного пути.
Чтобы узнать, от каких факторов зависит тормозной путь, мною была изучена следующая литература:
1) Механика. Молекулярная физика и теплота. / Бытько Н.Д. Физика, ч.1 и 2 –М: – М: Дрофа, 2012 г.
В пособие включено большое число задач с решениями для лучшего понимания физики. Приведено много примеров, показывающих связь физики с техникой.
2) Мир механики и техники: Кн. для учащихся. / Иванов А.С., Проказа А.Т. – М: Просвещение, 1993 г.
В книге на многочисленных примерах рассказывается об увлекательном мире техники, основанном на механических закономерностях.
3) Элементарный учебник физики: Т.1 Механика. Молекулярная физика. Учебное пособие. Под ред. Г.С. Ландсберга – М: «ФИЗМАТЛИТ» издательство (название в кавычках), 2010 г.
Достоинством данного пособия является глубина изложения физической стороны процессов и явлений в природе и технике.
1.2. Актуальность темы исследования
В нашей стране с каждым годом происходит увеличение транспортных средств и дороги стали объектом повышенной опасности, что приводит к необходимости изучения этого вопроса.
Длина тормозного пути часто оказывается решающим фактором в критической ситуации на дороге. Лишний метр, прочерченный покрышками по асфальту, может стоить не только разбитого бампера, но и жизни.
Те, кто в настоящий момент обучается в школе, в будущем станут водителями или пешеходами, обязаны знать, что тормозной путь зависит от начальной скорости и коэффициента сцепления шин с дорогой.
Почему возникает трение, на что влияет, от чего зависит сила трения? И, наконец, трение — это друг или враг?
Немного разбежавшись, можно лихо прокатиться по ледяной дорожке. Но попробуйте сделать это на обычном асфальте. Впрочем, и пробовать не стоит. Ничего не получится. Виновницей вашей неудачи станет очень большая сила трения. По этой же причине сложно сдвинуть с места массивный стол или, скажем, пианино.
В месте соприкосновения двух тел всегда возникает взаимодействие, которое препятствует движению одного тела по поверхности другого. Его и называют трением. А величину этого взаимодействия — силой трения. (приложение 1.)
Представим себе, что вам надо передвинуть тяжелый шкаф. Вашей силы явно не хватает. Увеличим «сдвигающую» силу. Одновременно увеличивается и сила трения покоя. И направлена она в сторону противоположную движения шкафа. Наконец, «сдвигающая» сила «побеждает» и шкаф трогается с места. Теперь в свои права вступает сила трения скольжения. Но она меньше силы трения покоя и дальше шкаф передвигать значительно легче.
Вам, конечно, приходилось наблюдать, как 2-3 человека откатывают в сторону тяжелый автомобиль с внезапно заглохшим двигателем. Люди, толкающие автомобиль, никакие не силачи, просто на колеса автомобиля действует сила трения качения. Этот вид трения возникает при перекатывании одного тела по поверхности другого. Может катиться шарик, круглый или гранёный карандаш, колеса железнодорожного состава и т. д. Этот вид трения гораздо меньше силы трения скольжения. Поэтому совсем легко передвигать тяжелую мебель, если она снабжена колёсиками.
Но, и в этом случае сила трения направлена против движения тела, следовательно, уменьшает скорость тела. Если бы не её «вредный характер», разогнавшись на велосипеде или роликах, можно было бы наслаждаться ездой бесконечно долго. По этой же причине автомобиль с выключенным двигателем ещё какое-то время будет двигаться по инерции, а затем остановится.
Итак, запоминаем, различают 3 вида сил трения:
ü трение скольжения;
ü трение качения;
ü трение покоя.
Быстрота изменения скорости называется ускорением. Но, поскольку, сила трения замедляет движение, то это ускорение будет со знаком «минус». Правильно будет сказать, под действием трения тело движется с замедлением.
Трение всегда сопровождается повышением температуры соприкасающихся поверхностей.
Существуют две причины, вызывающие это явление:
· неровности на поверхности соприкасающихся тел;
· силы межмолекулярного притяжения.
Сила трения зависит от:
· зависит от материала соприкасающихся поверхностей;
· кроме того, трение возрастает с увеличением веса тела;
· действует в сторону противоположную движению.
Формула силы трения:
Fтр = kN
где:
Fтр — сила трения.
k — коэффициент трения, который отражает зависимость силы трения от материала и чистоты его обработки.
N — это сила, действующая на опору.
Скажем, если металл катится по металлу k=0,18, если вы мчитесь на коньках по льду k= 0,02 (коэффициент трения всегда меньше единицы);
Если тело находится на горизонтальной поверхности, эта сила равна весу тела. Для наклонной плоскости она меньше веса и зависит от угла наклона. Чем круче горка, тем легче с нее скатиться и дольше можно проехать.
А, высчитав по этой формуле силу трения покоя шкафа, мы узнаем какую силу нужно приложить, чтобы сдвинуть его с места.
Если на тело действует сила, под действием которой тело перемещается, то всегда совершается работа. У работы силы трения свои особенности: ведь она не вызывает движение, а препятствует ему. Поэтому, совершаемая ею работа, всегда будет отрицательной, т.е. со знаком «минус», в какую бы сторону не двигалось тело.
Силы трения сопровождают нас повсюду, принося ощутимый вред и огромную пользу.
Вообразим, что исчезло трение. Изумленный наблюдатель увидел бы: как рушатся горы, сами по себе выкорчевываются из земли деревья, ураганные ветры и морские волны бесконечно властвуют над землей. Все тела сползают куда-то вниз, транспорт разваливается на отдельные детали, поскольку болты без трения не выполняют свою роль, невидимый безобразник развязал бы все шнурки и узлы, мебель, не удерживаемая силами трения, сползла в самый низкий угол комнаты.
Попытаемся убежать, спастись от этого хаоса, но без трения не сможем сделать, ни шагу. Ведь именно трение помогает нам при ходьбе отталкиваться от земли. Теперь понятно, почему зимой скользкие дороги посыпают песком.
И в то же время иногда трение наносит значительный вред. Люди научились уменьшать и увеличивать трение, извлекая из него огромную пользу. Например, для перетаскивания тяжелых грузов придумали колеса, заменив трение скольжение — качением, которое, значительно меньше трения скольжения. Потому, что катящемуся телу не приходится цеплять множество мелких неровностей поверхности, как при скольжении тел. Затем снабдили колёса шинами с глубоким рисунком (протекторами). Оказывается, резина хорошо удерживает колеса на дороге, а уголь, добавляемый в резину, придает ей чёрный цвет, нужную жёсткость и прочность. Кроме того, позволяет при авариях на дороге, измерить тормозной путь. Ведь при торможении резина оставляет четкий чёрный след. При необходимости можно уменьшить трение, используя смазочные масла и сухую графитовую смазку.
Замечательным изобретением явилось создание разного вида шарикоподшипников. Их применяют в самых различных механизмах от велосипеда до новейшего самолёта.
Когда тело в воде неподвижно, то трение о воду не происходит. Но стоит ему начать движение, возникает трение, т. е. вода оказывает сопротивление движению в ней любых тел. Значит, и берег, создавая трение, «тормозит» воду. А, так как трение воды о берег уменьшает её скорость, то на средину реки заплывать не стоит, ведь там течение гораздо сильнее. Рыбы и морские животные имеют такую форму, чтобы трение их тел о воду было минимальным.
Такую же обтекаемость конструкторы придают и подводным лодкам.
2.2. Понятие тормозной путь автомобиля
Тормозной путь автомобиля — расстояние, пройденное АТС от начала до конца торможения. Нормативные значения тормозного пути автотранспортных средств при определенных условиях приведены в разделе требования к тормозному управлению «Автотранспортные средства. Требования безопасности к техническому состоянию и методы проверки». (приложение 2.)
«Автотранспортные средства. Требования безопасности к техническому состоянию и методы проверки» предусматривает методику пересчета нормативов тормозного пути в зависимости от начальной скорости торможения АТС, т.е. скорости, превышающей 40 км в час.
Для этого приводится следующая формула:
St = AVо + Vо2/26 Jуст., где
Vо — начальная скорость торможения АТС, км/ч;
Jуст — установившееся замедление, м/с2;
А — коэффициент, характеризующий время срабатывания тормозной системы.
При пересчетах нормативов тормозного пути Sт следует использовать значения коэффициента А и установившегося замедления Jуст для различных категорий АТС. (приложение 2.)
Далее приводятся значения тормозного пути для различных скоростных режимов, рассчитанных по данной методике.
Рис. 2. Исходные данные для расчета норматива тормозного пути ST
АТС в снаряженном состоянии А
3. Тормозной путь автомобиля является основным составляющим длины остановочного пути.
Остановочный путь — это расстояние, которое проходит автомобиль с момента обнаружения водителем опасности на дороге до полной остановки. Остановочный путь будет больше тормозного пути на величину в метрах за время реакции водителя и за время срабатывания тормозной системы.
Время реакции водителя составляет от 0,4 до 1,2 с и зависит от профессионализма водителя и его физического и психо — эмоционального состояния (время реакции увеличивается при усталости, заболеваниях, резко возрастает при алкогольном или наркотическом опьянении).
Время срабатывания тормозной системы — это время с момента нажатия на педаль тормоза до приведения в действие тормозного устройства. Зависит от качества и состояния тормозной системы, обычно составляет до 0,4 сек у тормозов с гидравлическим приводом и до 0,8 сек у тормозов с пневматическим приводом.
4. Тормозной путь автомобиля, кроме начальной скорости торможения, зависит от множества других дополнительных факторов. Это состояние тормозов, состояние шин, наличие АБС, вид дорожного покрытия, погодные условия. Обобщающим показателем состояния шин и дорожных условий является коэффициент сцепления шин с дорогой. Коэффициент сцепления колеса с опорной поверхностью – это отношение результирующей продольной и поперечной сил реакций опорной поверхности, действующих в контакте колеса с опорной поверхностью, к величине нормальной реакции опорной поверхности на колесо.
Согласно краткого автомобильного справочника (НИИАТ, 1983год) значения коэффициента сцепления при скорости 40 км в час (приложение 2).
Вывод: из таблицы видно, что тормозной путь автомобиля увеличивается при типе поверхности и сухой поверхности.
2.3. Особенности тормозного пути. Все что нужно знать
Все автопроизводители автомобилей любят хвастаться своей продукцией, рекламируя различные технические характеристики, заостряя внимание на динамики разгона с 0-100 км/ч. Но практически не одна автомобильная компания не говорит о том, насколько быстро останавливается тот или иной автомобиль. По нашему мнению, подобные данные крайне необходимы, чтобы напомнить водителям, что движущейся объект на дороге нельзя остановить мгновенно. Естественно, у каждого автомобиля из-за особенностей тормозной системы свой индивидуальный тормозной путь.
Естественно, надо понимать, что чем выше ваша скорость автомобиля, тем длиннее будет тормозной путь в случае экстренного торможения. Также надо учитывать погодные условия, дорожное покрытие и состояние резины колес. Заучив как таблицу умножения параметры тормозного пути на разной скорости вы сможете лучше контролировать автомобиль во время движения, поддерживать правильную дистанцию, и в случае необходимости сможете вовремя экстренно затормозить, чтобы избежать аварии. Особенно эта важно для всех водителей-новичков, которые только недавно получили права.
Конечно, любой тормозной путь зависит от скорости движения машины. Но это еще не все. От того какой итоговый результат покажет та или иная машина зависит от технических характеристик транспортного средства, дорожные и погодные условия, техническое состояние автомобиля и износ резины.
Но и это еще не все. Важную роль также играет реакция водителя на препятствие на дороге. Да, от того, как мы среагируем на опасность в пути, зависит итоговый тормозной путь.
Из таблицы средних значений тормозного пути (приложение 3) при определенных скоростях из которой вы можете увидеть два основных важных параметра, которые влияют на итоговое расстояние торможения автомобиля.
Как можно увидеть тормозной путь на прямую зависит от скорости автомобиля и реакции автомобиля перед торможением. Ведь чем больше скорость движения, тем быстрее должны среагировать, приняв решение нажать педаль тормоза. Но на большой скорости пока автомобиль за считанные доли секунды примете решение о торможении и нажмете педаль тормоза вы проедете за это время определенное расстояние, что в конечном итоге и отразится на итоговом значении тормозного пути.
Недавно проведено исследование, которое показало сколько в среднем проезжает водитель лишнего пути, прежде чем примет решение нажать педаль тормоза. В итоге полученные результаты сложили со средними значениями тормозного пути на определенных скоростях (замер с момента нажатия педали тормоза). В результате исследования были полученные итоговые данные о длине тормозного пути с учетом реакции автомобиля перед нажатием педали тормоза. (приложение 3)
Рис. 3. Итоговые данные о длине тормозного пути с учетом реакции автомобиля перед нажатием педали тормоза. (м)
Как мы уже сказали на тормозной путь может отличаться в зависимости от различных факторов.
Вот главные факторы, которые напрямую влияют на тормозной путь:
Скорость.
Как вы можете увидеть на картинке выше и в таблице, высокая скорость автомобиля приводит к увеличенному тормозному пути. Но как видите помимо скорости также играет роль скорость вашей реакции перед тем как нажмете педаль тормоза. В среднем у большинства людей скорость реакции на экстренную ситуацию на дороге и при принятии решения о торможении примерно одинакова. Как можно увидеть из таблицы выше чем выше скорость, тем длиннее будет пройденный путь до того момента пока мы не нажмем педаль тормоза. И это с учетом того что скорость нашей реакции не изменяется.
Это весомый аргумент чтобы побудить водителей не нарушать скоростной режим. Особенно в населенных пунктах в черте города. Вот почему во многих городах установлена ограничение скорости в 40 км/час.
Дорожные условия.
Также необходимо знать, что на мокрой или обледенелой дороге тормозной путь, конечно, увеличивается. Дело в том, что на скользкой поверхности сцепление автомобиля с дорогой снижается, что и приводит в случае торможения к увеличению тормозного пути.
Например, в гололед тормозной путь любого автомобиля может увеличиться в десятки раз.
Состояние алкогольного или наркотического опьянения.
Управление автомобилем в состоянии алкогольного или наркотического опьянения на самом деле также влияет на итоговый тормозной путь машины. Дело в том, что алкоголь или наркотики снижают скорость реакции водителя в несколько раз. Соответственно все движения за рулем будут осуществляться медленнее. Но это может быть не заметным со стороны. Но на самом деле реакция пьяного водителя действительно будет снижена. Но на дороге обычно все решают миллисекунды. Именно поэтому водитель в пьяном состоянии за рулем очень опасен. Ведь в случае экстренного торможения водитель в состоянии алкогольного или наркотического опьянения нажмет тормоз при необходимости с запоздалой реакцией. В итоге автомобиль прежде, чем начнет останавливаться проедет дополнительно приличное расстояние, что в конечном итоге добавит тормозному пути лишних метров.
Шины.
Шины также являются важным фактором, который влияет на итоговый тормозной путь автомобиля. Во-первых, длина тормозного пути зависит от степени износа протектора резины, а также от марки покрышек. Естественно, чем дороже марка и модель резины, тем больше она обеспечивает сцепление с дорогой. Кроме того, на мокрой дороге, тормозной путь зависит от состояния протектора резины и от его спецификации. Если резина изношена, то глубина протектора будет небольшой, что приведет к невозможности достаточного отвода воды с покрышек. В результате уменьшиться сцепление с дорогой, что в свою очередь влияет на тормозной путь машины при торможении.
В том числе не стоит забывать и давлении в шинах, которое необходимо поддерживать в соответствии с рекомендациями автопроизводителя. Помните, что низкое давление в шинах (или слишком высокое) приведет к увеличению тормозного пути на любой дороге. Поэтому очень важно не только следить за состоянием покрышек и вовремя менять их на новые, но и периодически проверять давление в них.
Техническое состояние транспортного средства.
Конечно, любой автомобиль должен выезжать на дорогу только в приемлемом техническом состоянии. Для этого нужно периодически проводить плановую диагностику всех важных систем автомобиля, а также вовремя проводить техническое обслуживание и необходимый ремонт.
Помните, что техническое состояние автомобиля напрямую влияет на тормозной путь в случае торможения.
Например, плохие тормозные колодки, тормозные диски или барабаны и старая тормозная жидкость могут привести к увеличению тормозного пути в два раза.
Помните также что помимо технического состояния транспортного средства вы должны содержать машину в чистом виде. Например, грязное лобовое стекло может стать причиной того вы что-то не увидите (или не вовремя заметите) на дороге и слишком поздно нажмете на педаль тормоза. В итоге ваш тормозной путь может существенно увеличиться, что естественно приведет к аварии.
В том числе грязные передние фары могут недостаточно освещать дорогу в темное время суток. В таком случае вы рискуете вовремя не заметить опасность на дороге и среагируете слишком поздно, увеличив тем самым тормозной путь.
Отвлечение внимания на дороге.
Когда мы за рулем мы должны быть максимально внимательны и сосредоточены на дороге. Но, к сожалению, нас часто многое отвлекает на дороге, в результате чего наша реакция за рулем снижается, что приводит часто к ДТП.
Например, главный враг водителя — это мобильный телефон, смартфон и планшет. Согласно действующему законодательству, в нашей стране действует запрет на использование мобильных устройств во время движения за рулем автомобиля. Но, к сожалению, этот закон мало кто соблюдает в России.
Но этот запрет на самом деле сделан неспроста. Дело в том, что согласно исследованиям, разговоры по сотовому телефону за рулем автомобиля отвлекают водителя и снижают внимание. В том числе из-за мобильного телефона реакция водителя сильно падает. Например, официально установлено что водитель ведущий разговоры по мобильному телефону во время движения начинает себя вести так как водитель управляющий автомобилем в состоянии легкого алкогольного опьянения. Почему так происходит? Все дело в том, что наш мозг не безграничен и не может обрабатывать слишком много информации одновременно. В итоге, когда мы разговариваем по телефону за рулем наша реакция, снижается в несколько раз, что часто и становится причиной аварии. Например, из-за того, что водитель не вовремя начал тормозить, что в итоге привело к увеличению тормозного пути.
Все вышеуказанные факторы напрямую влияют на итоговый тормозной путь в случае торможения автомобиля. Ведь все эти вещи приводят к увеличению времени для полной остановки, что в конечном итоге ведет к более длинному тормозному пути.
Конечно, мы указали не все причины, по которым может увеличиться тормозной путь. На самом деле их существует огромное количество. Но мы указали самые важные факторы, которые оказывают непосредственное влияние на тормозной путь любого транспортного средства.
2.4. Влияние механизмов управления и тормозной системы на эффективность и безопасность
Чем легче и удобнее рулевое управление, меньше радиус поворота, больше предельная скорость при повороте и меньше количество энергии, затрачиваемое на управление при движении по заданной траектории, тем лучше управляемость и поворачиваемость машины, а следовательно, выше ее производительность и экономичность.
Повышение рабочих скоростей приводит к ухудшению поворачиваемости и качества работы при выполнении сельскохозяйственных процессов, а при увеличении радиусов поворота на поворотных полосах больше уплотняется почва, а следовательно, снижается урожайность сельскохозяйственных культур.
Итак, рулевое управление должно обеспечивать сохранение заданного направления движения (заданного курса), а при соответствующем воздействии изменять его по требуемой траектории, от чего зависит безопасность движения.
Способность к принудительному снижению скорости и быстрой остановке — важнейшее свойство машины, влияющее на ее эксплуатационные показатели (производительность, расход топлива и др.) и имеющее большое значение для безопасности движения.
Техническое состояние тормозной системы существенно влияет на безопасность движения (приложение 4).
Приведены значения тормозного пути автомобилей от начала действия тормозного механизма. Однако общий тормозной путь машины в действительности больше. Слагаемые общего тормозного пути:
ü путь, пройденный автомобилем за период времени от момента принятия водителем решения тормозить до момента нажатия на педаль тормоза (время реакции водителя)
ü путь, пройденный автомобилем за время срабатывания привода тормозной системы
ü непосредственно тормозной путь, когда начинается торможение
Следовательно, в действительности от принятия водителем решения о торможении и до полной остановки машина проходит гораздо больший путь. Время реакции водителя составляет 0,4…2 с в зависимости от его физического и психоэмоционального состояния. Время срабатывания привода тормозной системы при ее полной исправности должно быть 0,6…0,9 с.
Длина тормозного пути зависит от силы сцепления шин автомобиля (трактора) с дорожным покрытием, состояния дорожного покрытия, скорости движения, исправности тормозной системы, состояния шин и давления воздуха в них. На мокром асфальтобетоне по сравнению с сухим тормозной путь увеличивается примерно на 30 %, при гололеде — в 5…10 раз. Все это ухудшает условия безопасности работ на тракторах и автомобилях. Тормозной путь пропорционален квадрату скорости движения. Например, если скорость автомобиля увеличивается в 3 раза (с 20 до 60 км/ч), то тормозной путь возрастает в 9 раз и т. д.
Речь идет о кратчайшем, экстренном, то есть минимально возможном тормозном пути. Утяжеляя машину, мы, с одной стороны, увеличиваем ее инертность и осложняем торможение. С другой стороны, мы сильнее прижимаем шины к дороге, увеличиваем сцепление шин с дорогой и повышаем тормозные возможности машины. Эти два эффекта компенсируют друг друга в равной степени, и, в конечном итоге, масса не влияет на длину тормозного пути.
Массы в природе две: инертная и гравитационная.
Инертная масса mи – масса, которая «отвечает» за сопротивление движению тела. Чем тяжелее тело, тем сложнее привести в его движение или остановить, если оно движется.
В механике об этом говорит 2-й закон Ньютона:
a = F/mи
то есть ускорение (замедление) тела пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально инертной массе тела. Или в более привычной формулировке этот закон выглядит как
F = mи a
Инертная масса осложняет торможение. Это как раз то, о чем думает большинство водителей: чем тяжелее машина, тем сложнее ее остановить (а также и разогнать) и, якобы, тем длиннее тормозной путь. Остановить машину действительно сложнее, не спорим, но тормозной путь есть возможность сохранить — для этого нужно лишь затратить больше энергии. В этом нам поможет второе понятие массы.
Гравитационная масса mг – масса, которая «отвечает» за взаимное притяжение тел, в частности, за притяжение тел к Земле. Чем тяжелее тело, тем больше сила тяготения и тем сильнее тело давит на опору (пол, дорогу и т.д.).
А об этом в механике говорит закон всемирного тяготения Ньютона:
F = G mг1 mг2/r2
Или, проще, сила притяжения двух тел пропорциональна массам (гравитационным) этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Эта формула упрощается для тела в поле тяготения Земли:
F = mг g
где mг – гравитационная масса тела, а g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2
Гравитационная масса помогает торможению. Применительно к разговору о тормозном пути это означает, что чем тяжелее машина, тем сильнее она давит на колеса, тем лучше прижимает их к дороге и тем лучше сцепление шин с дорогой. Ведь, согласно закону Кулона, сила сила трения покоя (в нашем случае — сила сцепления шин с дорогой, она же – «держак» на гоночном жаргоне) пропорциональна весу тела N:
Fтр = k N = k mг g
где mг – гравитационная масса машины, k – коэффициент сцепления шин с дорогой, g – ускорение свободного падения.
Тогда, чем больше масса автомобиля, тем выше сила сцепления шин с дорогой и тем сложнее тормозам заблокировать колеса.
Одна масса мешает, другая — помогает. Что победит?
В итоге, инертная масса увеличивает инерцию машины, а гравитационная масса улучшает сцепление шин с дорогой и тормозной потенциал машины. Одно удлиняет тормозной путь, а другое пытается укоротить его.
Нам поможет закон сохранения энергии. На языке физики процесс торможения выглядит как закон сохранения энергии:
mи v2/2 = Fтр s
т.е. кинетическая энергия машины с инертной массой mи и скоростью v при торможении переходит в тепло за счет работы силы трения Fтр, которая затрачивается на замедление машины на участке пути длиной s (собственно, тормозной путь).
Машина тормозит не тормозами, а шинами. Как мы писали выше, сила трения Fтр равна kmг g – произведение коэффициента трения k, гравитационной массы mг и ускорения свободного падения g.
Подставим значения силы сцепления Fтр = k mг g в закон сохранения энергии:
mи v2/2 = k mг g S
Инертная и гравитационная массы противодействуют друг другу в равной степени. А теперь ключевой момент. Еще Ньютон доказал, а Эйнштейн в свое время постулировал, что инертная и гравитационные массы равны. На сегодняшний день это проверено многократными экспериментами с высокой степенью точности. Эти массы имеют абсолютно разный физический смысл, но в килограммах это всегда одно и то же.
И тогда заменяем инертную и гравитационную массы на «просто массу»:
m v2/2 = k m g S
Теперь массы можно успешно сократить, и останется:
v2/2 = k g S
Отсюда получаем тормозной путь, не зависящий от массы:
S = v2/(2 k g)
где v – скорость движения машины до начала торможения, k – коэффициент сцепления шин с дорогой, g – ускорение свободного падения.
Содной стороны, масса увеличивает инертность машины и создает препятствие тормозам. С другой стороны, масса увеличивает сцепление шин с дорогой и помогает тормозам. Эти два эффекта компенсируют друг друга в равной степени, и, в конечном итоге, масса не влияет на длину тормозного пути.
Скорость зависит только от водителя, g – постоянна, а коэффициент сцепления k зависит от состава резины протектора шины и от качества дорожного покрытия. Выходит, тормозной путь зависит от скорости, качества шины и качества дороги. При этом под качеством шины понимается именно состав резины. А от ширины профиля шины и площади пятна контакта сила сцепления шины с дорогой не зависит, как и не зависит тормозной путь.
Размеры тормозных дисков, материалы колодок и прочее устройство тормозных механизмов важны для машины, но не могут влиять на тормозной путь напрямую, поскольку он ограничивается сцеплением шин с дорогой.
Таким образом, мы можем говорить о независимости тормозного пути от массы машины, если она соответствует общепринятым нормам безопасности: на машине с загрузкой, не превышающей допустимую производителем, штатные тормоза должны быть способны заблокировать колеса (или включить АБС) на штатных шинах. Однако главное при торможении — шины. Выходит, и Жигули, и Ferrari затормозят с примерно одинаковым тормозным путем, если тормоза у всех исправны, а на колеса установлены одни и те же шины. Возможна разница за счет разного времени срабатывания тормозной системы, а также за счет разных алгоритмов торможения водителя и АБС. Но эта разница будет куда меньше по сравнению с тем, когда одни и те же Жигули (или Ferrari) будут тормозить сначала на Michelin, а потом на отечественной Каме.
Рекомендации:
Маленькая легковая машина не дает преимуществ при торможении.
Выбирая машину при покупке не думайте, что маленький городской автомобильчик будет более безопасный по сравнению с минивэном и тем более фурой лишь потому, что легче и, якобы, лучше тормозит. Не лучше он тормозит, а если и лучше, то масса тут ни при чем. Будьте бдительны, если управляете маленьким авто. Особенно, когда едете сзади фуры: не приближайтесь к ней и не думайте, что в случае чего она будет останавливаться долго, а вы-то уж точно успеете остановиться. Сохраняйте безопасную дистанцию, независимо от разницы в массах машин.
Сохраняйте самообладание, управляя загруженной машиной.
Если вам предстоит путь на машине с пассажирами и полным багажником, будьте бдительны, но не теряйте самообладание при торможении. Да, вам покажется, что торможение стало хуже. Но это лишь потому, что вы привыкли к другому усилию на педали тормоза. Нажимайте на тормоз сильнее обычного, и машина затормозит так, как вам нужно. Но и после разгрузки автомобиля не теряйте голову — ведь машина станет более чутко отзываться на нажатие педали тормоза, но это иллюзия: тормозной путь не станет короче.
Не перегружайте машину.
У каждой машины есть свое предназначение для использования и своя допустимая нагрузка. Если ее превысить, то шины и тормоза могут перегреться, а то и вовсе испортиться. В любом случае, они не справятся с задачей торможения. Тормозной путь заметно увеличится, и это, как вы понимаете, может привести к ДТП.
Цель: выявить уровень знаний по теме у одноклассников.
В анкетирование участвовали ученики 10 класса в количестве 30 человек
А) сухой асфальт;
Б) песок;
В) лёд;
Г) мокрый асфальт;
Д) трава;
Е) гравий (щебень).
Ответ: В, Д, Б, Е, Г, А
2. У велосипедиста, какой массы будет длиннее тормозной путь?
А) человек массой 20 – 40 кг;
Б) человек массой 40 – 60 кг;
В) человек массой 60 – 80 кг.
Ответ: В
3. Съезжая с горки, какой высоты велосипедист быстрее остановится?
А) горка высотой 1 м;
Б) горка высотой 3 м;
В) горка высотой 5 м.
Ответ: А
4. Как зависит длина тормозного пути от скорости движения?
А) чем больше скорость, тем меньше тормозной путь;
Б) чем больше скорость, тем больше тормозной путь;
В) тормозной путь от скорости движения не зависит.
Ответ: Б
5. Можно ли перебегать дорогу перед близко идущим транспортом?
А) если быстро бегаешь, то перебегать можно;
Б) нельзя, так как ни одна машина мгновенно остановиться не может;
В) в зависимости от ситуации.
Ответ: Б
6. Один автомобиль едет со скоростью 10 км/ч, а другой – 30 км/ч. Который из них остановится раньше, если водители станут тормозить одновременно?
A) первый;
Б) второй;
В) одновременно;
Г) не знаю.
Ответ: А
7. На какой дороге легче остановить автомобиль?
А) на сухой;
Б) на мокрой;
В) на обеих одинаково легко.
Ответ: А
8. Как можно уменьшить трение?
А) смазать поверхности соприкасающихся тел;
Б) прижать тела друг к другу;
В) сгладить поверхности;
Ответ А, В
9. Сила трения направлена
А) в любую сторону;
Б) в сторону движения;
В) в сторону противоположную движению.
Ответ В
10. При смазке трущихся поверхностей сила трения
A) не изменяется;
Б) уменьшается;
В) увеличивается.
Ответ: Б
Рис. 4. Уровни знания темы (%)
Существует несколько формул расчета тормозного пути. В их основе лежит второй закон Ньютона.
Основной тормозной путь транспортного средства можно определить по формуле:
S = V²о/2gµ,
где:
S - тормозной путь в метрах;
Vо - скорость движения транспортного средства в момент начала торможения в м/сек;
g - ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с2;
µ - коэффициент сцепления шин с дорогой.
Приведенная формула годится лишь при одновременном торможении всех колес до "юза".
Из формулы видно, что тормозной путь зависит только от скорости и коэффициента сцепления шин с дорогой. Однако значение последнего может измениться в зависимости от вида и состояния дорожного покрытия, типа шин транспортного средства и давления воздуха в них.
Мы в своем эксперименте использовали транспортное средство-велосипед ROCKRIDER.
1. Зависимость тормозного пути от скорости велосипеда
Таблица 7
|
Скорость движения велосипеда, км/ч
|
10 |
15 |
18 |
20 |
|
Тормозной путь по сухой дороге, м |
0,43 |
О.97 |
1,4 |
1.7 |
Таблица 8
|
Скорость движения велосипеда, км/ч
|
10 |
15 |
18 |
20 |
|
Тормозной путь по мокрой дороге, м |
0.78 |
1,76 |
2.5 |
3.12 |
Таблица 9
|
Скорость движения велосипеда, км/ч
|
10 |
15 |
18 |
20 |
|
Тормозной путь по зимней укатанной снежной дороге. |
1,3 |
2,9 |
4,2 |
5.2 |
Таблица 10
|
Скорость движения велосипеда, км/ч
|
10 |
15 |
18 |
20 |
|
Тормозной путь по дороге, покрытой ледяной коркой, м |
3,2 |
7,2 |
10,4 |
12,8 |
2.Зависимость тормозного пути от коэффициента сцепления шин с дорогой.
Таблица 11
|
Скорость движения автомашины, км/ч
|
10 |
15 |
18 |
20 |
|
Тормозной путь по сухой дороге, м
|
0,43 |
О.97 |
1,4 |
1.7 |
|
Тормозной путь по мокрой дороге, м
|
0.78 |
1,76 |
2.5 |
3.12 |
|
Тормозной путь по зимней укатанной снежной дороге. |
1,3 |
2,9 |
4,2 |
5.2 |
|
Тормозной путь по дороге, покрытой ледяной коркой, м |
3,2 |
7,2 |
10,4 |
12,8 |
Мы провели анкетирование и увидели, что не все знают тему трения и особенности тормозного пути, и своим исследованием мы хотели повысить знания в данном вопросе.
Исследования показали, что:
1. Тормозной путь автомобиля зависит от скорости и от коэффициента сцепления шин с дорогой.
2. Для обеспечения безопасности движения в любых дорожных условиях, при движении с любой скоростью необходимо соблюдать следующее правило: остановочный путь должен быть меньше расстояния видимости.
3. При движении автомобиля и по сухой летней, и по скользкой зимней дороге тормозной путь и время торможения зависят от начальной скорости, причём тормозной путь прямо пропорционален квадрату начальной скорости, а время торможения – её первой степени (t ~ 0);
4. Поскольку зимой коэффициент трения резины по асфальту уменьшается, тормозной путь и время торможения увеличиваются;
5. Для остановки транспорта требуется время и пространство: нельзя переходить дорогу перед близко идущим транспортом. Об этом следует помнить во избежание ДТП как пешеходам, так и автомобилистам.
6. Исследование свое мы зафиксировали на фотоотчете и представили его в презентации. Так же мы нарисовали информационные картинки по физике «Занимательная физика. Сила трения. Тормозной путь», чтобы привлечь одноклассников к изучению физики, продемонстрировав, что это интересно и познавательно.
Рекомендации:
Подготовить цикл открытых занятий с учителем физики по теме исследования в занимательной форме с использование нетрадиционных форм проведения уроков (например - мозговой штурм составление комиксов по физики и другие)
Многих аварий можно было бы избежать, если бы водители следовали золотому правилу - держи дистанцию. В работе мы выяснили, какую дистанцию нужно соблюдать для собственной безопасности и как определить нужную дистанцию. Если руководствоваться официальными рекомендациями, то можно понять, что безопасным является расстояние, которое позволяет не допустить аварию. Однако нормативный документ не указывает, сколько метров в этой безопасной дистанции и не даёт никаких указаний по её определению. (см. приложение «Популярная методика» опытных водителей). Теперь мы точно знаем, от чего зависит тормозной путь. Если говорить более конкретно, тормозной путь зависит: от скорости и коэффициента сцепления шин с дорогой.
Мы провели серию экспериментов, проделали примерно такие же опыты, как и ученые, и получили примерно такие же результаты. Получилось, что экспериментально мы подтвердили все утверждения, высказанные нами.
Нами была создана серия экспериментов, помогающих понять и объяснить некоторые «трудные» наблюдения.
Но самое главное - мы поняли, как здорово добывать знания самим, а потом делиться ими с другими.
4. Список используемых источников
1. Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3-хт. /Под ред.Г.С.Ландсберга. Т.1 Механика. Молекулярная физика.М.:Наука, 1985, 218 с.
2. Иванов А.С., Проказа А.Т. Мир механики и техники: Кн. для учащихся. – М.: Просвещение, 1993.
3. Бытько Н.Д. Физика, ч.1 и 2. Механика. Молекулярная физика и теплота.М.: Высшая школа, 1972, 336 с.
4. В.А.Касьянов. Физика 10 класс.- М.: Дрофа, 2003, 412 с.
5. http://www.avtodot.ru/sovetyi/opredelyaem-tormoznoy-put.html
7. http://www.g-class.ru/index.asp?zz=m121272694
8. http://www.off-road74.ru/school/book/10/
9. http://autorelease.ru/termins/1712-chto-takoe-tormoznoj-put.html
10. http://www.kaminsky.su/own/blog/242-fizika-tormozhenija
Рис. 1. Формула вычисления силы трения
Таблица 1. Нормативы эффективности торможения транспортного средства при проверках в дорожных условиях.
|
Наименование вида АТС |
Категория АТС |
Усилие на органе управления, Н |
Тормозной путь АТС, м, не более |
|
Пассажирские и грузопассажирские автомобили |
М1 |
490 |
15,8 |
|
М2, М3 |
686 |
19,6 |
|
|
Легковые автомобили с прицепом без тормозов |
М1 |
490 |
15,8 |
|
Грузовые автомобили |
N1, N2, N3 |
686 |
19,6 |
Таблица 2. Значения коэффициента А и установившегося замедления Jус
|
Наименование АТС |
Категория АТС (тягач в составе автопоезда) |
Исходные данные для расчета норматива тормозного пути ST АТС в снаряженном состоянии |
|
|
А |
J уст, м/с2 |
||
|
Пассажирские и грузопассажирские автомобили |
М1 |
0,10 |
5,2 |
|
М2, М3 |
0,15 |
4,5 |
|
|
Легковые автомобили с прицепом |
М1 |
0,10 |
5,2 |
|
Грузовые автомобили |
N1, N2, N3 |
0,15 |
4,5 |
|
Грузовые автомобили с прицепом (полуприцепом) |
N1, N2, N3 |
0,18 |
4,5 |
Таблица 3. Значения коэффициента сцепления при скорости 40 км в час
|
Тип покрытия |
Коэффициент сцепления с дорогой |
|
|
Сухая поверхность |
Мокрая поверхность |
|
|
Асфальтобетонное, цементобетонное покрытие |
0,7-0,8 |
0,35-0,45 |
|
Щебеночное покрытие |
0,6-0,7 |
0,3-0,4 |
|
Грунтовая дорога |
0,5-0,6 |
0,2-0,4 |
|
Дорога, покрытая укатанным снегом |
0,2-0,3 |
0,2-0,3 |
|
Обледенелая дорога |
0,1-0,2 |
0,1-0,2 |
Рис. 3. Средние значение тормозного пути при определенных скоростях.
Таблица 4. Итоговые данные о длине тормозного пути с учетом реакции автомобиля перед нажатием педали тормоза.
|
Скорость |
Расстояние, которое проезжает автомобиль пока водитель не нажмет педаль тормоза |
Тормозной путь с момента начала торможения (с момента нажатия педали тормоза) |
Общая длина тормозного пути |
|
32 км/ч |
6м |
6м |
12м или три длины автомобиля |
|
48 км/ч |
9м |
14м |
23м или шесть длин автомобиля |
|
64 км/ч |
12м |
24м |
36м или девять длин автомобиля |
|
80 км/ч |
15м |
38м |
53м или тринадцать длин автомобиля |
|
96 км/ч |
18м |
55м |
73м или восемнадцать длин автомобиля |
|
112 км/ч |
21м |
75м |
96м или двадцать четыре длины автомобиля |
Таблица 6. Тормозной путь и допустимое замедление автомобиля (начальная скорость торможения 40 км/ч)
|
Автомобиль |
Тормозной путь, м, не более |
Установившееся замедление, м/с |
|
Легковой |
16,2 |
5,2 |
|
Грузовой |
23 |
4 |
|
Автопоезд |
25 |
4 |
Анкетирование
Уважаемые одноклассники, предлагаю Вам ответить на представленные ниже вопросы, ответы внести в бланк!
1. Укажите цифрами, в порядке возрастания, на дороге с каким покрытием быстрее остановится велосипедист?
А) сухой асфальт;
Б) песок;
В) лёд;
Г) мокрый асфальт;
Д) трава;
Е) гравий (щебень).
2. У велосипедиста, какой массы будет длиннее тормозной путь?
А) человек массой 20 – 40 кг;
Б) человек массой 40 – 60 кг;
В) человек массой 60 – 80 кг.
3. Съезжая с горки, какой высоты велосипедист быстрее остановится?
А) горка высотой 1 м;
Б) горка высотой 3 м;
В) горка высотой 5 м.
4. Как зависит длина тормозного пути от скорости движения?
А) чем больше скорость, тем меньше тормозной путь;
Б) чем больше скорость, тем больше тормозной путь;
В) тормозной путь от скорости движения не зависит.
5. Можно ли перебегать дорогу перед близко идущим транспортом?
А) если быстро бегаешь, то перебегать можно;
Б) нельзя, так как ни одна машина мгновенно остановиться не может;
В) в зависимости от ситуации.
6. Один автомобиль едет со скоростью 10 км/ч, а другой – 30 км/ч. Который из них остановится раньше, если водители станут тормозить одновременно?
A) первый;
Б) второй;
В) одновременно;
Г) не знаю.
7. На какой дороге легче остановить автомобиль?
А) на сухой;
Б) на мокрой;
В) на обеих одинаково легко.
8. Как можно уменьшить трение?
А) смазать поверхности соприкасающихся тел;
Б) прижать тела друг к другу;
В) сгладить поверхности;
9. Сила трения направлена
А) в любую сторону;
Б) в сторону движения;
В) в сторону противоположную движению.
10. При смазке трущихся поверхностей сила трения
A) не изменяется;
Б) уменьшается;
В) увеличивается.
Ответы на вопросы
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Информационные картинки
«Занимательная физика. Сила трения. Тормозной путь»
Силами сухого трения называют силы, возникающие при соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки. Они всегда направлены по касательной 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
|
|
|
Рисунок
Сила трения покоя (υ = 0). |
Сила трения покоя не может превышать некоторого максимального значения (Fтр)max. Если внешняя сила больше (Fтр)max, возникает относительное проскальзывание. Силу трения в этом случае называют силой 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
|
|
|
Реальная (1) и идеализированная (2) характеристики сухого трения |
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.
|
|
|
Силы
трения при скольжении (υ ≠ 0). |
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 Fтр ~ υ, при больших скоростях Fтр ~ υ2. 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.
|
|
|
Модель. Движение по наклонной плоскости |
Рабочие листы
к вашим урокам
Скачать
6 672 286 материалов в базе
Настоящий материал опубликован пользователем Бортновская Ольга Ивановна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Удалить материал
Ваша скидка на курсы
40%
Курс повышения квалификации
72/108 ч.
Курс повышения квалификации
36 ч. — 180 ч.
Курс повышения квалификации
72 ч. — 180 ч.
Мини-курс
10 ч.
–
сила реакции опоры, 
–
вес тела, 
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.