Проект на тему о силе трения
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
лицей №4 города Данкова Липецкой области.
Секция естественных наук.
Исследовательский проект по физике на тему:
Сила трения.
Выполнили:
учащиеся 7-г класса
Кожемякин Руслан,
Чуксин Илья.
Научный руководитель:
Анохина Нина Алексеевна,
учитель физики.
Данков 2013
Оглавление:
Введение:
1) Роль силы трения в повседневной жизни. 3. 2) Сила – причина изменения скорости тела. 3. 3) Анализ литературы. 3. 4) Цель, объект, предмет, гипотеза, задачи и методы исследования проекта. 3.
Основная часть:
1) Сила трения. 4.
2) Виды сил трения. 4.
3) Исследование силы трения покоя. 4.
4) Исследование силы трения скольжения. 5.
5) Исследование силы трения качения. 5-6.
6) Причины возникновения силы трения. 6.
7) Историческая справка. 6-7.
8) Исследование силы трения от силы нормального давления. 7.
9) Особенности сил трения. 7-8.
10) Роль силы трения в природе. 8.
11) Нужно ли избавляться от трения? 8.
Заключение. 9.
Список используемой литературы. 10.
Приложение 1 (Презентация).
Введение.
Трение – явление, сопровождающее нас с детства, буквально на каждом шагу, а потому ставшее таким привычным и незаметным. Без трения мы и шагу ступить не можем. Движению тела обычно препятствуют силы трения. Трение даёт нам возможность ходить, сидеть, работать без опасения, что книги и тетради упадут со стола, что стол будет скользить, пока не упрётся в угол, а ручка выскользнет из пальцев. Трение способствует устойчивости. Плотники выравнивают пол так, что столы и стулья остаются там, куда их поставили. Блюда, стаканы, поставленные на стол, остаются неподвижными без особых забот с нашей стороны, если только дело не происходит на пароходе во время качки. Маленькое трение на льду может быть успешно использовано технически. Свидетельство этому так называемые ледяные дороги, которые устраивали для вывозки леса с места рубки к железной дороге или к пунктам сплава. На такой дороге, имеющей гладкие ледяные рельсы, две лошади могут тащить сани, нагруженные 70 тоннами брёвен. Сила – причина изменения скорости тела. Любое тело, приведенное в движение в конце концов останавливается . Причиной этому является сила трения , которая направлена против движения и уменьшает скорость тела. Нам захотелось узнать: какие существуют сил трения и какова их роль. Познакомившись с научными статьями Л.П.Лисовского, А.С. Бурова, А.Е. Саломоновича, М.Е.Тульчинского и др., мы нашли некоторые ответы на наши вопросы. Исходя из вышеизложенного, мы сформулировали цель проекта: какие существуют виды сил трения. Объектом нашего исследования являются твёрдые тела. Предмет: постановка опытов по физике с использованием различных твёрдых тел. Гипотеза: положительную или отрицательную роль играет сила трения? В соответствии с целью, объектом, предметом нами определены задачи проекта: 1. Проанализировать научную литературу по теме проекта. 2. Изучить виды сил трения. 3. Измерить и сравнить силы трения. 4. Разработать и воспроизвести опыты с твёрдыми телами. В работе над проектом применялись следующие методы исследования: 1. Изучение литературы. 2. Эксперимент. 3. Анализ. 4. Сравнение. 5. Вывод.
Основная часть.
«Трение – сила знакомая,
но таинственная».
А.А.Первозванский.
Трение встречается буквально на каждом шагу, без него и шага не сделаешь; держим ручку в руке – трение; стоят на столе всякие предметы – трение; гвозди держат полку с книгами – трение… В древности люди добывали огонь с помощью трения. ( Слайд 3) Санки, скатившись с горы, движутся по горизонтальному пути неравномерно, скорость их постепенно уменьшается, и через некоторое время они останавливаются. Если водитель машины, мотоцикла… нажимает на тормоза, то проехав какой-то путь, они останавливаются, их скорость уменьшается. Причиной всякого изменения скорости движения тела является сила. При соприкосновении одного тела с другим возникает взаимодействие, препятствующее их относительному движению, которое называется трением. А силу, характеризующую это взаимодействие, называют силой трения.
Различают 3 вида сил трения: ( Слайд 4) Трение покоя. Трение покоя перемещает грузы, находящиеся на движущейся ленте транспортера, препятствует развязыванию шнурков, и т.д. (Слайд 5) Для того чтобы выяснить сущность этого явления, мы провели несложный эксперимент. ( Слайд 6)
Положили деревянный брусок на наклонную доску. При не слишком большом угле наклона доски брусок остаётся на месте. Удерживает его от соскальзывания вниз сила трение покоя. Прижмем свою руку к лежащей на столе тетради и передвинем ее. Тетрадь будет двигаться относительно стола, но покоиться по отношению нашей ладони. С помощью чего мы заставили эту тетрадь двигаться? С помощью трения покоя тетради о руку. Сила трения покоя может быть разной. Она растет вместе с силой, стремящейся сдвинуть тело с места. Но для любых двух соприкасающихся тел она имеет некоторое максимальное значение, больше которого быть не может. Например, деревянного бруска, находящегося на деревянной доске, максимальная сила трения покоя составляет 0,6 от его веса. Приложив к телу силу, превышающую максимальную силу трения покоя, мы сдвинем тело с места, и оно начнет двигаться. Трение покоя при этом смениться трением скольжения.
Трение скольжения. Когда одно тело скользит по поверхности другого, то возникает сила трения скольжения. (Слайд 7) Из-за чего постепенно останавливаются санки, скатившиеся с горы? Из-за трения скольжения. Почему замедляет свое движения шайба, скользящая по льду? Вследствие трения скольжения, направленного всегда в сторону, противоположную направлению движения тела. Чтобы измерить силу трения скольжения нам потребовалось следующее оборудование: деревянный брусок, гладкая доска, не струганная доска, стекло, линолеум и динамометр. ( Слайд 8 )
Деревянный брусок поочерёдно ставили на разные доски, стекло, линолеум. К нему прикрепляли динамометр и начинали его равномерно тянуть. По динамометру определяли величину силы трения скольжения. При движении деревянного бруска по различным поверхностям мы пришли к выводу, что величина силы трения зависит от размеров неровностей поверхностей. ( Слайд 9,10)
Движение деревянного бруска по различным поверхностям.
№п/п Название поверхности Величина силы трения, Н.
1 Доска гладкая 0,4
2 Доска не струганная 0,8
3 Стекло 0,15
4 Линолеум 0,2
Трение качения.
Если тело не скользит по поверхности другого тела, а, подобно колесу или цилиндру, катится, то возникающее в месте их контакта трение называют трением качения. (Слайд 11) Катящееся колесо несколько вдавливается в полотно дороги, и потому перед ним все время оказывается небольшой бугорок, который необходимо преодолевать. Именно тем, что катящемуся колесу постоянно приходиться наезжать на появляющийся впереди бугорок, и обусловлено трение качения. При этом, чем дорога тверже, тем трение качения меньше. При одинаковых нагрузках сила трения качения значительно меньше силы трения скольжения (это было замечено еще в древности). Так, ножки тяжелых предметов, например, кроватей, роялей и т.п., снабжают роликами. В технике для уменьшения трения в машинах широко пользуются подшипниками качения, иначе называемыми шариковыми и роликовыми подшипниками. Для измерения силы трения качения нам потребовалось следующее оборудование: деревянный каток и динамометр. Динамометр прикрепили к катку и стали его равномерно тянуть так, чтобы он катился, а затем, чтобы – скользил. ( Слайд 12)
Величина силы трения.
№п/п Характер движения катка. Величина силы трения, Н.
1 Катится 0,2
2 Скользит 0,4
Для одного и того же тела сила трения качения меньше силы трения скольжения. Затем мы решили выяснить: как зависит сила трения качения от размеров неровностей поверхностей. Нам потребовалось следующее оборудование: желоб, штатив, шарик, гладкая доска, соль, наждачная бумага. Желоб прикрепили к штативу, соорудив наклонную плоскость, и с одной и той же высоты пускали шарик. Он, скатившись с желоба, двигался по различным поверхностям. Во всех трёх случаях тормозной путь был различный. Самый длинный тормозной путь шарика был при движении по гладкой доске, а самый короткий – при движении по слою соли. ( Слайд 13, 14, 15) Мы знаем, почему книга не падает со стола. Но что мешает ей соскользнуть, если стол немного наклонен? Наш ответ – трение! Мы попытаемся объяснить природу силы трения. На первый взгляд, объяснить происхождение силы трения очень просто. Ведь поверхность стола и обложка книги шероховаты. Это чувствуется на ощупь, а под микроскопом видно, что поверхность твердого тела более всего напоминает горную страну. Бесчисленные выступы цепляются друг за друга, немного деформируются и не дают книге соскользнуть. Таким образом, сила трения покоя вызвана теми же силами взаимодействия молекул, что и обычная упругость. Если мы увеличим наклон стола, то книга начнет скользить. Очевидно, при этом начинаются «скалывание» бугорков, разрыв молекулярных связей, не способных выдержать возросшую нагрузку. Сила трения по-прежнему действует, но это уже будет сила трения скольжения. Обнаружить «скалывание» бугорков не представляет труда. Результатом такого «скалывания» является износ трущихся деталей.
Причины возникновения силы трения:
1) Шероховатость поверхностей соприкасающихся тел. Даже те поверхности, которые выглядят гладкими, на самом деле всегда имеют микроскопические неровности (выступы, впадины). При скольжении одного тела по поверхности другого эти неровности зацепляются друг за друга и тем самым мешают движению;
2) Межмолекулярное притяжение, действующее в местах контакта трущихся тел. Между молекулами вещества на очень малых расстояниях возникает притяжение. Молекулярное притяжение проявляется в тех случаях, когда поверхности соприкасающихся тел хорошо отполированы. Так, например, при относительном скольжении двух металлов с очень чистыми и ровными поверхностями, обработанными в вакууме с помощью специальной технологии, сила трения оказывается намного сильнее, чем сила трения между брусками дерева друг с другом, и дальнейшее скольжение становиться невозможно.
Знания о природе трения пришли к нам не сами собой. Этому предшествовала большая исследовательская работа ученых - экспериментаторов на протяжении нескольких веков. Не все знания приживались легко и просто, многие требовали многократных экспериментальных проверок, доказательств. Самые светлые умы последних столетий изучали зависимость модуля силы трения от многих факторов: от площади соприкосновения поверхностей, от рода материала, от нагрузки, от неровностей поверхностей и шероховатостей, от относительной скорости движения тел. Имена этих ученых: Леонардо да Винчи, Амонтон, Леонард Эйлер, Шарль Кулон – это наиболее известные имена, но были еще рядовые труженики науки. Все ученые, участвовавшие в этих исследованиях, ставили опыты, в которых совершалась работа по преодолению силы терния.
Историческая справка.
Шел 1500 год. Великий итальянский художник, скульптор и ученый Леонардо да Винчи проводил странные опыты, чем удивлял своих учеников. Он таскал по полу, то плотно свитую веревку, то ту же веревку во всю длину. Его интересовал ответ на вопрос: зависит ли сила трения скольжения от величины площади соприкасающихся в движении тел? Механики того времени были глубоко убеждены, что чем больше площадь касания, тем больше сила трения. Они рассуждали примерно так, что чем больше таких точек, тем больше сила. Совершенно очевидно, что на большей поверхности будет больше таких точек касания, поэтому сила трения должна зависеть от площади трущихся тел. Леонардо да Винчи усомнился и стал проводить опыты. И получил потрясающий вывод: сила трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся тел. Попутно Леонардо да Винчи исследовал зависимость силы трения от материала, из которого изготовлены тела, от величины нагрузки на эти тела, от скорости скольжения и степени гладкости или шероховатости их поверхности.
Он получил следующие результаты:
1.От площади не зависит. 2.От материала не зависит. 3.От величины нагрузки зависит (пропорционально ей) 4.От скорости скольжения не зависит. 5.Зависит от шероховатости поверхности.
В течение восемнадцатого и девятнадцатого веков насчитывалось до тридцати исследований на эту тему. И авторы соглашались только в одном – сила трения пропорциональна силе нормального давления, действующей на соприкасающиеся тела. А по остальным вопросам согласия не было. 1779 год. В связи с внедрением машин и механизмов в производство назрела острая необходимость в более глубоком изучении законов трения. Выдающийся французский физик Кулон занялся решением задачи о трении и посвятил этому два года. Он ставил опыты на судостроительной верфи, в одном из портов Франции. Там он нашел те практические производственные условия, в которых сила трения играла очень важную роль. Кулон на все вопросы ответил - да. Общая сила трения, в какой то, малой степени все же зависит от размеров поверхности трущихся тел, прямо пропорционально силе нормального давления, зависит от материала соприкасающихся тел, зависит от скорости скольжения и от степени гладкости трущихся поверхностей. В дальнейшем ученых стал интересовать вопрос о влиянии смазки, и были выделены виды трения: жидкостное, чистое и сухое. Мы исследовали зависимость силы трения скольжения от силы нормального давления. Для этого нам потребовался деревянный брусок, деревянная доска, динамометр, набор грузов. Брусок поочерёдно нагружали 1, 2, 3 грузами и всякий раз измеряли силу трения скольжения. ( Слайд 16, 17)
Зависимость силы трения от силы нормального давления.
№п/п Масса тела, кг. Величина силы трения, Н.
1 0,06 0,1
2 0,16 0,4
3 0,26 0,6
4 0,36 0,8
Величина силы трения F прямо пропорциональна величине силы нормального давления N тела на поверхность, по которой движется тело.
Особенности сил трения:
-возникают при соприкосновении;
-действуют вдоль поверхности;
-всегда направлены против направления движения тела.
Сила трения – сила, возникающая между соприкасающимися поверхностями тел и направленная в противоположную сторону движения. Величина силы трения зависит от размеров неровностей поверхностей тел. В гололёд трудно идти по ледяной дорожке, а по дорожке посыпанной песком, идти гораздо легче. Каждая песчинка создаёт неровность поверхности, от этого величина силы трения увеличивается. Даже гладкие на вид поверхности тел имеют неровности, бугорки, царапины. Когда одно тело скользит или катится по поверхности другого, эти неровности цепляются друг за друга, что создаёт некоторую силу, задерживающую движение. Другая причина трения – взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел. Из-за неровностей поверхностей они касаются друг друга только в отдельных точках на вершинах выступов. Здесь молекулы соприкасающихся тел подходят на расстояния, соизмеримые с расстоянием между молекулами в самих телах, и сцепляются. Образуется прочная связь, которая рвётся при движении соприкасающихся тел. ( Слайд 18) 1. Величина силы трения F прямо пропорциональна величине силы нормального давления N тела на поверхность, по которой движется тело. 2. Сила трения не зависит от площади контакта между поверхностями; 3. Коэффициент трения зависит от свойств трущихся поверхностей; 4. Сила трения не зависит от скорости движения тела.
Роль силы трения в природе
Силы трения проявляют себя и в природе. Пример – это шероховатые лапки насекомых для улучшения сцепления с поверхностью, или, наоборот, это гладкие тела рыб, покрытые слизью для уменьшения трения о воду. В природе животные и растения давно научились приспосабливаться и использовать силу трения себе во благо. То же необходимо делать и человеку, дабы обеспечить себе комфортное существование на планете Земля.
Примеры проявления сил трения в природе:
мы можем ходить по земле, белки прыгают по веткам деревьев, ленивец висит на ветке, птичка может присесть на ветку, вода точит камень, образование планет и комет, идет дождь и вода стекает в низину, хотя камень лежит и не скатывается в низину (у воды сила трения меньше, чем у камня), огромные валуны лежат на краях скал и не падают вниз - их держит сила трения…
Нужно ли избавляться от трения?
Вообразим, что во всем мире некоему волшебнику удалось “выключить” трение. Во время скольжения одного предмета по другому происходит словно бы зацепление микроскопических бугорков друг за друга. Но если бы этих бугорков не было, то это не значило бы, что сдвинуть предмет или тащить его стало бы легче. Возник бы так называемый эффект прилипания, который легко обнаружить пытаясь сдвинуть стопку книг в глянцевой обложке вдоль поверхности полированного стола. Чтобы уменьшить износ деталей механизмов и машин между ними вводят слой смазки, которая сглаживает размеры неровностей и сила трения значительно уменьшается. Однако без трения мы не могли бы ходить, колёса машин без толку крутились бы на месте, бельевые прищепки не могли бы ничего удержать и. т. д. Поскольку силы трения качения значительно меньше сил трения скольжения, то в машинах и механизмах в большинстве случаев подшипники скольжения заменяют шариковыми или роликовыми.
Заключение.
Примерами полезных сторон сил трения можно назвать то, что мы можем ходить по земле, что наша одежда не разваливается, так как нитки в ткани удерживаются благодаря всем тем же силам трения, что насыпав на обледенелую дорогу песок, мы улучшаем сцепление с дорогой. Ну а вредом силы трения является проблема перемещения больших грузов, проблема изнашивания трущихся поверхностей, а так же невозможность создания вечного двигателя, так как из-за трения любое движение рано или поздно останавливается, требуя постоянного стороннего действия. При всех видах трения применение смазки значительно уменьшает силы трения. Влияние смазки заключается в том, что между трущимися поверхностями вводится слой вязкой жидкости, которая заполняет все неровности поверхностей и, прилипая к ним, образует два трущихся слоя жидкости. Поэтому вместо трения двух твердых поверхностей при смазке возникает внутреннее трение жидкости, которое значительно меньше внешнего трения двух твердых поверхностей. Применение смазочных масел уменьшает трение в 8—10 раз. Типичный пример значения смазки представляет бег конькобежца на коньках. В результате действия силы со стороны конькобежца на нож конька снег тает и под коньком появляется вода, которая вновь замерзает, после того как пробежал конькобежец и исчезло давление. Однако в механизмах вода для смазки не годится, поскольку вследствие малой вязкости она выдавливалась бы из зазора неровностей между трущимися поверхностями. Потребности новой техники, где имеют место высокоскоростные и высокотемпературные режимы, привели к широкому применению различных смазочных материалов (как жидких, так и твердых) и созданию специальных самосмазывающихся материалов. Поскольку силы трения качения значительно меньше сил трения скольжения, то в машинах и механизмах в большинстве случаев подшипники скольжения заменяют шариковыми или роликовыми. Наша гипотеза подтвердилась: сила трения играет как положительную, так и отрицательную роль. Когда она играет положительную роль, её стараются увеличить, а когда отрицательную – её уменьшают. ( Слайд 19).
Используемая литература:
1.Лисовский Л.П., Саломонович А.Е., «Трение в природе и технике», Гостехиздат,1984 г.
2. Иванов А.С., Проказа А.Г. «Мир механики и техники», Просвещение,1993г.
3.Буров В.А. и др. «Фронтальные экспериментальные задания но физике», Просвещение,1981г.
4. Тульчинский М.Е., «Качественные задачи по физике», Просвещение,1976г.
5. Ресурсы Internet.