Теоретичні матеріали до уроку фізики у 7 класі за темою "Сила тертя"
Тертя — явище, яке супроводжує нас завжди і всюди. В одних випадках воно корисне, і його намагаються збільшити. В інших — шкідливе, і його намагаються зменшити. Тертя руйнує поверхні (зношування механізмів), дозволяє зрушити з місця та гальмувати. Від тертя залежить швидкість руху рідин в судинах рослин та живих істот. За рахунок тертя обертається колесо й добувають вогонь...
Сила тертя — це сила, яка виникає під час руху одного тіла по поверхні іншого і перешкоджає цьому руху. Сила тертя є проявом електромагнітної взаємодії між атомами. Діють сили тертя вздовж поверхонь тіл під час їх безпосереднього дотику.
Розрізняють декілька різновидів сил тертя: сила тертя спокою, сила тертя
ковзання, сила тертя кочення, рідке тертя.
Строгої теорії сил тертя спокою, як і сил сухого тертя, ще не створено.
Силу, що характеризує розглянуту взаємодію, називають силою тертя. Позначення —
Fтер.
Сила, що виникає за зіткнення поверхонь тіл і перешкоджає їх переміщенню одне відносно одного, називається силою тертя.
Причини виникнення сили тертя:
1) Однією з причин виникнення сили тертя є шорсткість поверхонь стичних тіл. Навіть гладенькі на вигляд поверхні тіл мають нерівності, горбики і подряпини. Коли одне тіло ковзає або котиться по поверхні іншого, ці нерівності зачіпляються одна за одну, що створює деяку силу, яка затримує рух.
2) Друга причина тертя – взаємне притягання молекул стичних тіл. Якщо обидві поверхні ретельно відшліфовані, то в разі їх дотикання виникають сили міжмолекулярного притягання, що може призвести навіть до прилипання поверхонь.
Сила тертя спокою. Покладемо масивний брусок на горизонтальну кришку стола і спробуємо зрушити з місця, діючи в будь-якому горизонтальному напрямі. Для вимірювання сили, з якою ми діємо на брусок, помістимо між рукою і бруском пружинний динамометр. Дослід показує, що брусок залишається в спокої навіть тоді, коли на нього діє певна сила. А це означає, що крім зовнішньої сили виникає сила, що протидіє рухові.
Сила тертя спокою виникає при спробі зрушити одне із стичних тіл відносно іншого. Спрямована вона вздовж стичних поверхонь так, що перешкоджає відносному рухові тіл.
Під час збільшення сили брусок залишається в спокої доти, поки зовнішня сила не досягне певного значення, при якому брусок почне рівномірно ковзати по поверхні стола. Таким чином, до виникнення ковзання сила тертя спокою може набувати будь-якого значення від 0 Н до певного максимального значення, яке дорівнює зовнішній силі, що спричиняє ковзання.
Якими б гладенькими не здавалися поверхні дотику, вони насправді завжди шорсткі: на них є горбики й западини, добре видимі під мікроскоп. Чим більша сила прагне привести тіло в рух, тим більша й деформація маленьких виступів на поверхні. Ось чому сила тертя спокою завжди дорівнює зовнішній силі.
Силу тертя спокою, що дорівнює за модулем зовнішній силі, яка спричиняє ковзання даного тіла по поверхні іншого, називають максимальною силою тертя спокою.
Сила тертя спокою має винятково важливе значення в житті людини, в її практичній діяльності. Свого часу, коли не дуже добре розуміли здатність сили тертя спокою набувати різних значень, висловлювали сумніви в тому, чи потяг зможе їхати по гладеньких рейках, тому пропонували навіть робити ведучі колеса зубчастими і прокладати для них спеціальні зубчасті рейки.
Мал. а) зубчасте ведуче колесо, що рухається по зубчастій рейці;
б) конічні зубчасті колеса в приводі засувки дамби.
Сила тертя спокоює рушійною і гальмівною силою для всіх наземних колісних видів транспорту, забезпечує можливість ходіння по землі.
Сила тертя ковзання.Ковзання виникає лише тоді, коли зовнішня сила дорівнює, або перевищує за модулем максимальну силу тертя спокою. Ця особливість притаманна лише сухому тертю. Ви, мабуть, помічали, що масивний ящик важко зрушити з місця, а потім рухати його стає легше. Це пояснюється зменшенням сили тертя під час виникнення ковзання з малою швидкістю. Зменшення сили тертя ковзання при невеликих швидкостях можна пояснити тим, що під час руху тіла наявні на його поверхні мікроскопічні виступи не встигають так глибоко западати в заглиблення поверхні другого тіла, як у спокої. Деформуються лише “верхівки” виступів, і тому сила пружного опору зменшується.
а) 
б)
Мал. а) Графік залежності сили тертя від прикладеної сили
Лише згодом, у міру збільшення швидкості, вона зростає і перевищує максимальну силу тертя спокою. Для невеликих відносних швидкостей руху сила тертя ковзання майже не відрізняється від максимальної сили тертя спокою. Отже, при малих швидкостях цим фактором можна нехтувати.
Ще геніальний Леонардо да Вінчі в далекому 1500 році дуже цікавився тим, від чого залежить сила тертя і що вона собою являє?
Перші дослідження тертя, про які ми знаємо, були проведені Леонардо да Вінчі приблизно в 1500 році. Дивні досліди, які він проводив, викликали чималий подив у його учнів, а чого ще можна було очікувати від людей, які бачать, як талановитий вчений тягає по підлозі мотузку, то розмотану у всю довжину, то щільно звиту. Ці та інші подібні експерименти дозволили йому трохи пізніше (в 1519 році) зробити висновок: сила тертя,
яка з'являється при контакті одного тіла з поверхнею іншого, безпосередньо залежить від навантаження (сили притиснення), не залежить від площі взаємодії і спрямована в протилежний від руху бік.
1500 р. Славетний італійський художник, скульптор, учений Леонардо да Вінчі проводив дивні досліди, чим дивував своїх учнів: він тягав по підлозі то щільно звитий мотузок, то той самий мотузок на всю довжину. Його цікавило запитання, чи залежить Fтер.ковз. від величини площі дотичних поверхонь? Механіки того часу були переконані, що чим більші площі дотикання, тим більша сили тертя. Вони міркували так: чим більше точок дотикання, тим більша Fтер.. Леонардо да Вінчі засумнівався й почав проводити досліди, у результаті яких дійшов приголомшливого висновку: Fтер.ковз. не залежить від площі дотичних тіл.
1699 р. Французький учений Амонтон у результаті своїх дослідів підтвердив несподіваний висновок Леонардо да Вінчі, але вважав, що Fтер.ковз. залежить від швидкості руху тіл.
Упродовж XVIII і XIX століть налічувалося до 300 досліджень на цю тему. Їхні автори погоджувалися в тому, що Fтер. пропорційна силі реакції опори, тобто силі нормального тиску, що діє на дотичні тіла, але викликало подив те, що Fтер. не залежить від площі тіл, що труться.
1748 р. Дійсний член Російської академії наук Е. Ейлер опублікував свої міркування, що Fтер. залежить від N, v, від шорсткості поверхонь, що труться.
1779 р. У зв’язку з впровадженням машин і механізмів у виробництво назріла гостра потреба в глибшому вивченні цього явища. Видатний французький учений Ш. Кулон зайнявся цим питанням і витратив на нього два роки. Учений ставив досліди на суднобудівельній верфі в одному з портів Франції. Там він знайшов практичні виробничі умови й отримав позитивні відповіді на свої запитання.
Але суперечка між науковцями триває досі.
Група науковців при Інституту хімічної фізики Академії наук відкрила явище аномального низького тертя, тобто різке зменшення Fтер. за зменшення тиску й опромінення поверхонь, що труться, гамма-променями. Очевидно, цей ефект знайде особливе застосування в космосі, але нас цікавить, що це за явище, суперечка про яке триває досі.
Дослідним шляхом було встановлено три закони тертя:
1. Сила тертя не залежить від величини площі тертьових поверхонь.
2. 
Сила тертя ковзання пропорційна силі 
нормального тиску, з яким одне тіло діє на інше: тер= , де - коефіцієнт тертя ковзання.
Коефіцієнт тертя ковзання 
характеризує обидві тертьові поверхні, визначається експериментально: 
, є безвимірною величиною. Коефіцієнт тертя ковзання
залежить від матеріалу стичних поверхонь, стану обробки поверхонь тіл. Коефіцієнт тертя ковзання не залежить від маси тіла та площі стичних поверхонь.
Якщо поверхня ковзання горизонтальна і зовнішня сила тяги прикладена теж горизонтально, то сила тиску на неї рівна вазі тіла:
3. Сила тертя залежить від матеріалу тіл, стану обробки тертьових поверхонь, наявності і виду мастила.
Чим краща обробка поверхні - тим, менші сила тертя спокою та сила тертя ковзання.
Проте, дослід показує, що в ідеальному випадку дзеркальних поверхонь дотичних тіл, в результаті взаємодії електричних зарядів частинок, відбувається прилипання (адгезія - зчеплення, злипання поверхонь притиснутих один до одного тіл), яке може виявитися таким міцним, як зварювання. Таким чином, можна сказати, що для грубо обробленої поверхні основну роль у виникненні сили тертя спокою і тертя ковзання відіграють зчеплення нерівностей і сили пружності, а при старанній обробці - взаємодія атомів та молекул під час дотику поверхонь.
Сила тертя ковзання не залежить від напрямку сили, прикладеної вздовж тертьових поверхонь.
Сила тертя кочення. Сила тертя кочення — це сила, що виникає при перекочуванні одного тіла по поверхні іншого.
Виникає між елементами підшипників, між шиною колеса автомобіля і дорожнім полотном. Як правило, при малих швидкостях, зусилля тертя кочення набагато менші від зусиль тертя ковзання і тому, кочення є поширеним видом руху в техніці.
Коли швидкість кочення досягає дуже великих значень, тертя кочення різко зростає і навіть може перевищити тертя ковзання за аналогічних умов. Тертя кочення виникає на межі двох тіл, і тому воно класифікується як вид зовнішнього тертя.
Зовнішнім тертям називають тертя, яке виникає при дотику двох тіл чи їх відносному переміщенню.
Сила тертя кочення МЕНША від сили тертя ковзання, а сила тертя ковзання МЕНША від максимальної сили тертя спокою.
Рідке тертя (в’язке тертя, сила опору середовища). В кінці XIX століття з'явилися нові досягнення у вивченні в'язкості, і стало зрозуміло, як діє сила тертя в рідинах і газах. Рідке тертя виникає при поступальному русі твердого тіла в рідині чи газі.
Головна особливість рідкого тертя полягає в повній відсутності сили тертя спокою. Яка завгодно мала сила може привести в рух тіло відносно рідини чи газу. Наприклад, зусиллям рук можна привести в рух масивну баржу, тоді як зрушити з місця потяг чи навіть вагон зусиллям рук просто неможливо. І навпаки — тіло, яке рухається повільно, не зазнає в газі чи рідині ніякого опору. Причина полягає в тому, що «труться» одна об одну фактично не шорсткі з западинами і виступами (звичайно, мікроскопічними) поверхні твердих тіл, зчепленням яких і визначається тертя спокою, а шари рідини чи газу.
Сила опору середовища залежить від розмірів, форми і стану поверхні тіла, властивостей самої рідини чи газу, в яких рухається тіло, від відносної швидкості руху тіла й середовища.
При малих швидкостях сила опору середовища: 
, при великих швидкостях : 
, де 
- швидкість тіла; 
- коефіцієнт опору середовища.
Внутрішнім тертям називають тертя між частинками одного і того ж тіла, наприклад, між різними шарами рідини або газу (вітер в атмосфері Землі, рух гарячих та холодних течій у водах океану…)
Тертя в природі й техніці. У ХХ столітті дослідження в області тертя принесли так багато нової інформації, що її потрібно якось систематизувати. У результаті з'явилася ціла наука - трибологія - наука про тертя, зношування, змащування та контактну взаємодію поверхонь твердих тіл при їх відносному русі.
Кінцівки тварин схожі на робочі інструменти, що використовуються людиною. У багатьох рослин та тварин є різні органи, що служать для хватання ( вусики у рослин, хобот у слона, хвости у повзаючих тварин). Всі вони мають шорстку поверхню для збільшення сили тертя.
Змії можуть ковзати по різних поверхнях, не порушуючи цілісності своєї шкіри, і цю особливість фахівці з Технологічного інституті Карлсруе використали для створення сталі зі структурованою поверхнею, що в деяких випадках дозволяє зменшити сили тертя і, як наслідок, знос тертьових частин механізмів.
Попередні оцінки збільшення зносостійкості показують, що текстурування поверхні лускатими структурами дозволить кардинально збільшити термін служби механізмів, які працюють в складних умовах, в яких неможливо застосувати мастильні матеріали. До таких механізмів відносяться і приводи сучасних жорстких дисків і, цілком імовірно, що в майбутньому жорсткі диски наших комп'ютерів зможуть стати набагато надійніші і тихіші, отримавши деякі деталі, покриті структурою типу "зміїної шкіри".
У техніці сила тертя в багатьох випадках є причиною нагрівання поверхонь. Пояснюється це тим, що під час зривання зачеплень виступи певний час коливаються, перетворюючи у внутрішню енергію набуту енергію пружної деформації. Цей та інші фактори спонукають до пошуку способів зміни сили тертя. На практиці доводиться як зменшувати, так і збільшувати сили тертя між поверхнями тіл.
Щоб зменшити силу тертя: o покращують якість обробки стичних поверхонь; o спеціально підбирають матеріали; o використовують підшипники;
Для більшості поверхонь сила тертя кочення значно менша за силу тертя ковзання. Тому широко практикується заміна тертя ковзання тертям кочення (кулькові та роликові підшипники).
o змащують стичні поверхні мастилом;
У техніці для зменшення впливу сил сухого тертя між поверхнями вводять мастило - в'язку рідину, яка створює тонкий шар між твердими поверхнями. Вплив мастила полягає у тому, що між тертьові поверхні вводиться шар в'язкої рідини, яка заповнює всі нерівності поверхонь і, прилипаючи до них, утворює два тертьових шари рідини. В результаті тертя ковзання замінюється рідким тертям, яке набагато менше за тертя ковзання. Застосування мастил зменшує тертя в 8-10 разів.
Хоча мастило між тертьовими поверхнями використовували з самого початку зародження техніки, лише в 1886 році завдяки О. Рейнольдсу з'явилася струнка теорія, присвячена мастилам.
o у випадку рідкого тертя - надають тілу обтічної форми.
При дуже великих швидкостях сухе тертя (тертя ковзання, тертя кочення) переходить у в’язке, оскільки між поверхнями утворюється прошарок повітря. В даний час широко застосовується такий спосіб зменшення тертя при русі транспортних засобів.
Повітряна подушка - це шар стиснутого повітря під транспортним засобом, який піднімає його над поверхнею води або землі. Шар стисненого повітря створюється вентиляторами. Відсутність тертя об поверхню дозволяє знизити опір руху. Від висоти підйому залежить здатність такого судна рухатися над різними перешкодами на суші або над хвилями на воді. Першим ідею подібної машини на повітряній подушці висловив К.Е.
Ціолковський в 1927 році, в роботі «Опір повітря і швидкий поїзд».
Щоб збільшити силу тертя:
o На стичних поверхнях створюють рельєфні малюнки.
o Збільшують вагу тіла. o Підбирають середовище з більшим коефіцієнтом тертя...
Чи пробували ви їздити на автомобілі в ожеледь? Задоволення не з приємних. Так само, втім, як і бути пішоходом в таку ж пору року. Коли дорога покрита кіркою льоду, ми говоримо: погане зчеплення. Що ж означає це “погане зчеплення”?
Це означає, що тертя між колесами і дорогою дуже маленьке. І якщо це корисно у разі переміщення вантажів волоком, наприклад, на санках, то дуже шкідливо в ситуації, коли необхідно різко загальмувати або змінити напрямок руху. Роль сили тертя в житті людини величезна, цього не можна заперечувати.
І наше завдання зводиться до того, щоб максимально ефективно використовувати силу тертя в побуті і в техніці для полегшення життя.
Роль сили тертя в побуті
Роль сили тертя в побуті зводиться до того, що ми можемо ходити і їздити, що предмети не вислизають у нас з рук, що полиці і картини висять на стінах, а не падають, навіть одяг ми носимо завдяки тертю, яке утримує волокна в складі ниток, а нитки в структурі тканин.
Але тертя може грати і негативну роль.
Саме через нього нагріваються і зношуються рухомі частини різних механізмів. У таких випадках його намагаються зменшити. Існує кілька способів зменшення тертя.
Один з них – це введення мастила між поверхнями, що труться. Мастило зменшує тертя між елементами для збільшення їх ресурсу та плавності в роботі.
Ще приклади сили тертя в побуті:
• ми можемо писати на папері;
• речі, які стоять на вашому столі, не відлітають від найменшого протягу;
• одяг, який висить на вашому стільці або плічках в шафі;
• ви можете водити комп’ютерною мишкою по килимку;
• ви насилу рухаєте шафу, так як. є сила тертя;
• але якщо випадково розлити соняшникову олію на кухні, будь-який вхідний буде ковзати, тому що зменшиться сила тертя об підлогу, але акуратніше, не впади самі:)
• килим сильно зменшує силу тертя;
• змазування петлею дверей; музичні інструменти.
Сила тертя в техніці
Ще одним способом зменшити тертя є застосування кулькових і роликових підшипників. Внутрішнє кільце підшипника одягається на вал будь-якого механізму, а зовнішнє кільце закріплюють у корпусі машини або верстата. І коли вал починає обертатися, то він не ковзає, а котиться на кульках або роликах між кільцями підшипника.
А ми знаємо, що сила тертя кочення значно менша тертя ковзання.
Тому обертові частини зношуються набагато повільніше. Застосовують також повітряну подушку, зменшення площі дотичних тіл, а також шліфовку.
Наприклад, щоб зменшити силу тертя між льодом і ковзанами, ковзани гострять, роблячи поверхню зіткнення менше, а лід шліфують, роблячи його максимально гладким. Так само зменшують тертя при різанні чого-небудь в побуті та на виробництві, заточуючи ножі якомога гостріше.
Роль сили тертя в техніці не завжди негативна, як могло здатися.
Адже, наприклад, коли ми замінюємо силу тертя ковзання тертям кочення, щоб зменшити взаємодію тертьових поверхонь, то слід пам’ятати, що якби тертя було відсутнє зовсім, то колеса або кульки в підшипниках просто-напросто прокручувалися б, не приводячи тіло в рух.
Ще приклади сили тертя у техніці:
• автомобіль може гальмувати;
• на півночі люди пересуваються на санках і лижах – так швидше, тому що менше сила тертя;
• їзда на велосипеді;
• будь-які змащені деталі працюють краще в кулькопідшипниках виникає сила тертя кочення;
• колеса з шипами або навіть з ланцюгами;
• механізми для передачі або перетворення руху за допомогою тертя, так звані фрикційні механізми.
Роль сили тертя в природі
Варто згадати і про роль сили тертя в природі. Приклад – це шорсткі лапки комах для поліпшення зчеплення з поверхнею, або, навпаки, це гладкі тіла риб, вкриті слизом для зменшення тертя об воду.
У природі тварини і рослини давно навчилися пристосовуватися і використовувати силу тертя собі на благо. Те ж необхідно робити і людині, щоб забезпечити собі комфортне існування на планеті Земля.
Ще приклади сили тертя в природі:
• ми можемо ходити по землі;
• білки стрибають по гілках дерев;
• лінивець висить на гілці;
• пташка може присісти на гілку;
• вода точить камінь;
• утворення планет і комет;
• йде дощ і вода стікає в низину, хоча камінь лежить і не скочується в низину (у води сила тертя менше, ніж у каменю);
• величезні валуни лежать на краях скель і не падають вниз – їх тримає сила тертя.
Визначення коефіцієнта тертя ковзання похилої площини. У фізиці для вивчення тієї самої фізичної величини дуже часто використовують різні методи. Фізики доводять, що коли тіло рівномірно рухається вниз похилою площиною, то відношення висоти h. до основи d похилої площини дорівнює коефіцієнту тертя ковзання:
Опорний конспект
Вчимось розв’язувати задачі.
Задача 1. Брусок рівномірно тягнуть по поверхні з горизонтальною силою 8 Н. Чому дорівнює коефіцієнт тертя ковзання між бруском та столом, якщо маса бруска становить 4 кг?
Задача 2. За допомогою динамометра рівномірно тягнуть брусок по столу із силою 7 Н.
Знайдіть масу бруска, якщо коефіцієнт тертя ковзання між бруском та столом дорівнює
0,25.
Задача 3. Вага портфеля дорівнює 30 Н, коефіцієнт тертя між портфелем і партою - 0,4.
Якою є максимальна сила тертя спокою між портфелем і партою?
Задача 4. Щоб рівномірно рухати по столу книжку масою 1,5 кг, треба прикласти горизонтальну силу 3 Н. Чому дорівнює коефіцієнт тертя ковзання між книжкою і столом?
про публікацію авторської розробки
Додати розробку