Вредное действие силы трения

Предисловие

На земные объекты действует несколько сил, которые тесно взаимосвязаны между собой и влияют на жизнедеятельность тел. Прежде всего, это сила тяжести, упругости (внутреннее сопротивление тел в ответ на смещение их молекул) и реакции опоры. Но есть еще она очень важная физическая величина, называемая силой трения. Она в отличие от силы тяготения и упругости не зависит от расположения тел. При ее изучении действуют иные законы: коэффициент трения скольжения и сила реакции опоры. Например, если понадобится сдвинуть тяжеловесный шкаф, то с первой же минуты станет понятно, что сделать это непросто. Кроме того, при выполнении данной задачи присутствуют определенные помехи. Что же препятствует усилиям, приложенным к шкафу? А мешает этому не что иное, как сила трения, принцип действия которой изучают еще в школе. Курс физики за 7 класс подробно рассказывает об этом явлении.

Виды трения: трение покоя

Различают три вида трения:
трение скольжения, трение покоя и трение качения. В нашем случае, когда мы пытались сдвинуть шкаф с места, мы пыхтели, толкали, краснели, но не сдвинули шкаф ни на дюйм. Что удерживает шкаф на месте? Сила трения покоя. Теперь другой пример: если мы положим руку на тетрадь и будем двигать ее по столу, то тетрадь будет двигаться вместе с нашей рукой, удерживаемая все той же силой трения покоя. Трение покоя удерживает вбитые в стену гвозди, мешает самопроизвольно развязываться шнуркам, а также держит на месте наш шкаф, чтобы мы, случайно опершись на него плечом, не задавили любимого кота, который вдруг улегся подремать в тишине и покое между шкафом и стеной.

Плюсы

У этого природного явления есть много плюсов, которые делают нашу жизнь такой, какая она есть. Причем список этих плюсов достаточно внушительный:

Мы можем ходить. Если бы силы трения не существовало, то сложно представить, как бы мы перемещались. Наша стопа бы просто не могла бы сцепиться с землей, чтобы оттолкнуть тело в нужном направлении.

Мы можем стоять. Да-да, без силы трения мы не смогли бы ходить, но и стоять на месте тоже, любое дуновение ветерка могло бы «сдуть» нас куда угодно.

Мы можем носить в руках предметы. Все, что мы берем в руки не выскальзывает не только потому, что мы крепко держим предмет, а в основном благодаря силе трения.

Движение с помощью транспорта. Шины автомобилей могут отталкиваться от асфальта и двигать машину только благодаря силе трения. Поезд едет за счет сцепления с рельсами. Самокат, велосипед, ролики и другой транспорт с колесами был бы немыслим без силы трения.

Борьба с гололедом. По льду ходить затруднительно, а вот по льду, присыпанному песком – другое дело. Благодаря увеличению силы трения, мы можем перемещаться в пространстве даже зимой, когда дороги покрыты льдом.

Существование предметов. Все предметы соединены не только благодаря силе трения, но она играет очень важную роль. Даже нитки держат нашу одежду благодаря тому, что в физике есть такое явление.

Предметы могут тормозить. Яркий пример пользы этого явления — аварийные съезды. Во многих горных местностях есть специальные съезды на дорогах на случай, если у машины откажут тормоза. Достаточно поехать в гору некоторое время, тогда в дело вступит сила трения, и машина затормозит самостоятельно.

Предметы могут стоять. Представьте себе мир, где предметы могут только скользить и кататься. Наверно, это было бы чем-то похоже на космос и состояние невесомости. И попытка просто поставить на стол предмет оканчивалась бы провалом, мало того, что он выскальзывает из рук, так даже если бы это и удалось победить, то все равно, при попытке поставить стакан на стол, он бы просто скользил и падал.

Фрикционные механизмы. Их действие основывается как раз таки на силе трения. В отличие от зубчатых механизмов, фрикционные сцепляются за счет силы трения. И хотя они не так надежны, их применяют в областях, где важна бесшумность работы, например при изготовлении магнитофонов, проигрыва­телей, спидометров

Хотя нередко их можно встретить в различных станках, где важность имеют, прежде всего, точность регулирования.

Защита Земли от комет и метеоритов. За счет силы трения они сгорают еще до того, как успевают приблизиться к земле.

Сила трения качения

Если мы вспомним, что когда-нибудь придется двигать шкаф обратно, то решим оснастить его колесиками. В этом случае возникающее взаимодействие будет называться трением качения, поскольку предмет уже будет не скользить, а катиться по поверхности. Катящиеся колесики будут немного вдавливаться в ковер, образовывая бугорок, который нам необходимо будет преодолеть. Этим и обуславливается сила трения качения. Разумеется, если мы покатим шкаф не по ковру, а, например, по паркету, то переместить его будет еще легче, за счет того, что поверхность паркета тверже поверхности ковра. По той же причине велосипедистам ехать по шоссе куда проще, чем по пляжу с мелким песком.

Значимость в технике

Рассмотрим применение силы трения в природе и технике. В частности, на ее основе создаются роликовые и шариковые подшипники. Внутреннее кольцо его одевают на вал механизма, наружное фиксируют в корпусе станка либо транспортного средства. После того как вал начнет вращаться, он не будет скользить, а станет катиться на роликах либо шариках между кольцами самого подшипника. Такое инженерное решение понижает изнашиваемость деталей, увеличивает их эксплуатационный срок службы.

Чтобы уменьшить трение, площадь поверхности соприкасающихся тел уменьшают, используют шлифовку (делают ее гладкой).

Фигуристы, затачивая коньки, уменьшают площадь соприкосновения со льдом, что позволяет им с легкостью выполнять сложные элементы во время произвольной или обязательной программы.

Для повышения гладкости льда, на него выезжает специальная машина (каток), после завершения ее работы покрытие становится безупречным.

Уменьшение трения необходимо и в быту. В частности, снижают силу трения для выполнения различных операций, натачивая бытовые режущие (колющие) предметы: иглы, ножницы, ножи.

Трение скольжения в технике не допускает износа механизмов, позволяет колесам и шарикам проскальзывать без перегревания.

Среди примеров положительного влияния большой силы трения в технике можно отметить:

  • передвижение на снегоходах по льду и снегу;
  • торможение колес передвигающегося транспорта;
  • использование гусениц для увеличения площади сцепления;
  • большие протекторы автомобильных шин.

Сложно представить себе существование живых существ в экосистеме без силы трения. Например, лапки насекомых имеют шероховатую поверхность, чтобы ползти по поверхностям разных типов. С помощью волосатых усиков ползучие растения передвигаются, а гладкая чешуя позволяет рыбам снижать трение о воду. Слон на протяжении всего периода своего существования, растения и животные научились использовать трение для своей пользы.

Минусы

Но даже у такой масштабной и важной природной силы есть свои минусы, которые немножко осложняют нам жизнь. Но их не так уж и много:

  • Движение тяжелых предметов. Чем меньше сила трения, тем легче сдвинуть предмет. Только вот в обычной жизни сила трения стандартная, что усложняет нам жизнь, когда нужно передвинуть какой-нибудь тяжелый предмет.
  • Предметы электризуются из-за силы трения. Конечно, в электризации предметов есть плюсы, но согласитесь, когда одежда бьется током и прилипает к телу, приятного в этом мало. Да и волосы, прилипающие к лицу и трещащие, когда пытаешься их пригладить.
  • Затрудняет работу различных механизмов за счет снижения коэффициента полезности действия. Для того чтобы увеличить КПД, приходится использовать различные вещества, которые помогают снизить силу трения.
  • Механизмы изнашиваются. Да и не только механизмы: подошва ваших любимых кед стирается, каменные ступеньки становятся скользкими, веревки перетираются, на носках появляются дырки – все это результат работы силы трения.
  • Невозможность создания вечного двигателя. Вечный двигатель – безумная мечта миллионов ученых за все время существования науки. Но недостижимая, потому что сила трения рано или поздно заставляет механизм остановиться.
  • Механизмы перегреваются. За счет силы трения возникает лишняя энергия, которая становится теплом, а затем нагревает элементы механизма. В некоторых случаях это может даже привести к возгоранию.
  • Спортивная скорость. Чтобы достигать высоких результатов, спортсмену необходимо напрячься, чтобы преодолеть силу трения. Многим спортсменам даже приходится брить свое тело, чтобы сделать кожу максимально гладкой. Как они утверждают, это помогает им снизить сопротивление воздуху, уменьшить силу трения и двигаться максимально быстро.

Польза трения

Трение не всегда вредное явление. Польза трения значительна, а иногда трение просто необходимо.

Польза трения – примеры

Однажды по шоссе шла автомашина, груженная трехметровыми рельсами. Рельсы высовывались через незакрытый задний борт.

Со стороны было заметно, что грузовик движется как-то неуверенно, рыская из стороны в сторону так, как будто шофер не в силах совладать с рулевым управлением.

Вот машина внезапно перешла на левую сторону дороги, шофер нажал на тормоз, автомобиль выровнялся и вернулся на правую сторону.

Он проверил рулевое управление — все было в порядке; пошел осматривать груз… Вдруг, сбросив куртку, стал перекладывать рельсы. Он догадался, в чем дело. От тряски рельсы сползли назад, и передок машины стал приподниматься. Еще немного — и машина стала бы «на дыбы». Передние колеса катились, еле задевая за землю. При каждом толчке они вовсе утрачивали сцепление с землей.

Трение между передними колесами и дорогой стало ничтожно малым; именно поэтому машина потеряла управление. Причина оказалась в недостатке трения. Трение часто играет очень важную роль, (подробнее: Мир без трения).

С непривычки трудно бывает быстро ходить по гладкому, натертому воском паркету — ноги скользят, и не дают необходимой опоры.

Дорога поворачивает машину

Шофер, поворачивая руль автомобиля, тем самым заставляет повернуться его передние колеса. Они становятся уже не вдоль дороги, а слегка вкось.

Машина по инерции стремится продолжать движение в прежнем направлении, но передние колеса повернулись и встречают значительное сопротивление дороги.

Сила трения дороги поворачивает весь автомобиль в ту сторону, куда его поворачивает шофер.

Сила сопротивления воды

Самолеты, пароходы и простые лодки также используют силу трения и силу сопротивления воды или воздуха, когда им необходимо изменить направление своего движения. Для этого у них есть руль. Пока лодка движется прямо, ее руль стоит по ходу и почти никакого сопротивления со стороны воды не встречает: струи его легко обтекают.

Но как только руль поворачивает в сторону, на одну его плоскость начинают набегать водяные струи — возникает значительное сопротивление воды, и ее давление оттесняет руль, а вместе с ним и корму лодки в сторону, противоположную повороту руля. Нос же лодки направляется в ту же сторону, в какую повернут руль.

На больших кораблях силы, пробуждаемые поворотом руля, бывают настолько велики, что человек не в состоянии удержать в руках штурвальное колесо. На помощь приходит паровая машина или электрический двигатель. На крупных кораблях установлены особые рулевые машины, поворачивающие руль, и здесь тоже человек оценивает пользу различных видов сил трения.

Сочинение на тему сила трения

В курсе физики седьмого класса школьникам дают задание написать сочинение на тему «Сила трения».
Примером сочинения на эту тему может служить примерно такая фантазия:

«Допустим, решили мы на каникулах съездить к бабушке в гости на поезде. И не в курсе того, что как раз в это время вдруг, ни с того ни с сего, пропала сила трения. Проснулись, встаем с кровати и падаем, так как силы трения между полом и ногами нет. Начинаем обуваться, и не можем завязать шнурки, которые не держатся из-за отсутствия силы трения. С лестницей вообще туго, лифт не работает — он уже давно лежит в подвале. Пересчитав копчиком абсолютно все ступени и доползя как-то до остановки, обнаруживаем новую беду: ни один автобус не остановился на остановке. Чудом сели в поезд, думаем, какая красота — тут хорошо, топлива уходит меньше, так как потери на трение сведены к нулю, быстрее доедем. Но вот в чём беда. Силы трения между колёсами и рельсами нету, а, значит, и оттолкнуться поезду не от чего! Так что, в общем, не судьба съездить к бабушке без силы трения.»

Трение скольжения

Вернемся к нашему пресловутому шкафу. Мы, наконец, сообразили, что сдвинуть его в одиночку нам не удастся и позвали на помощь соседа. В конце концов, исцарапав весь пол, вспотев, напугав кота, но, так и не выгрузив вещи из шкафа, мы передвинули его в другой угол. Что мы обнаружили, кроме клубов пыли и не обклеенного обоями куска стены? Что, когда мы приложили силу, превышающую силу трения покоя, шкаф не просто сдвинулся с места, но и (с нашей помощью, естественно) продолжил двигаться дальше, до нужного нам места. И усилия, которые приходилось затрачивать на его передвижение, были примерно одинаковы на всем протяжении пути. В данном случае нам мешала сила трения скольжения. Сила трения скольжения, как и сила трения покоя, направлена в сторону, противоположную приложенному воздействию.

Каковы причины возникновения сил трения?
Первая — это шероховатость поверхности. Это хорошо понятно на примере досок пола или поверхности Земли. В случае же более гладких поверхностей, например, льда или покрытой металлическими листами крыши, шероховатости почти не видны, но это не значит, что их нет. Эти шероховатости и неровности цепляются друг за друга и мешают движению. Вторая причина — это межмолекулярное притяжение, которое действует в местах контакта трущихся тел. Однако, вторая причина проявляется, в основном, лишь в случае очень хорошо отполированных тел. В основном же, мы имеем дело с первой причиной возникновения сил трения. И в таком случае, чтобы уменьшить силу трения, часто применяют смазку. Слой смазки, чаще всего жидкий, разъединяет трущиеся поверхности, и трутся между собой слои жидкости, сила трения в которых в разы меньше.

Подписи к слайдам:

Слайд 2

Что такое трение? Трение — процесс взаимодействия тел при их относительном движении (смещении) либо при движении тела в газообразной или жидкой среде. По-другому называется фрикционным взаимодействием. Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется механикой фрикционного взаимодействия, или трибологией. Трение главным образом имеет электронную природу при условии, что вещество находится в нормальном состоянии. В сверхпроводящем состоянии вдалеке от критической температуры основным «источником» трения являются фононы, а коэффициент трения может уменьшиться в несколько раз.

Слайд 3

Сила трения Сила трения — это сила, возникающая при соприкосновении двух тел и препятствующая их относительному движению. Причиной возникновения трения является шероховатость трущихся поверхностей и взаимодействие молекул этих поверхностей. Сила трения зависит от материала трущихся поверхностей и от того, насколько сильно эти поверхности прижаты друг к другу.

Слайд 4

Разновидности силы трения При наличии относительного движения двух контактирующих тел силы трения, возникающие при их взаимодействии, можно подразделить на:

Слайд 5

Трение скольжения Сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения.

Слайд 6

Трение качения Момент сил, возникающий при качении одного из двух контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого.

Слайд 7

Трение покоя Сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга. Возникает при микро перемещениях контактирующих тел.

Слайд 8

Характер фрикционного взаимодействия В физике взаимодействие трения принято разделять на: Сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками; Граничное, когда в области контакта могут содержаться слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и так далее) — наиболее распространённый случай при трении скольжения. Смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения; Жидкостное (вязкое), при взаимодействии тел, разделённых слоем твёрдого тела (порошком графита), жидкости или газа (смазки) различной толщины — как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость, величина вязкого трения характеризуется вязкостью среды; Эластогидродинамическое (вязкоупругое), когда решающее значение имеет внутреннее трение в смазывающем материале. Возникает при увеличении относительных скоростей перемещения.

Слайд 9

Вред трения в технике и природе В большинстве традиционных механизмов (ДВС, автомобили, зубчатые шестерни и пр.) трение играет отрицательную роль, уменьшая КПД механизма. Для уменьшения силы трения используются различные натуральные и синтетические масла и смазки. В современных механизмах для этой цели используется также напыление покрытий (тонких плёнок) на детали; Проблема перемещения больших грузов ; Проблема изнашивания трущихся поверхностей, а также невозможность создания вечного двигателя, так как из-за трения любое движение рано или поздно останавливается, требуя постоянного стороннего воздействия; Получение ушибов и ссадин в результате трения о твёрдую поверхность; Расходуется много горючего.

Слайд 10

Вред трения в технике и природе

Слайд 11

Польза трения в технике и природе Лианы, хмель, горох, бобы и другие вьющиеся растения благодаря трению могут цепляться за находящиеся поблизости опоры, удерживаются на них и тянутся к свету; Чтобы увеличить сцепление с грунтом, стволами деревьев, на конечностях животных имеется целый ряд различных приспособлений: когти, острые края копыт, подковные шипы, тело пресмыкающихся покрыто бугорками и чешуйками; Автомобиль может тормозить; Человек может ходить по земле; Одежда не разваливается, так как нитки в ткани удерживаются; Приводит в движение детали различных механизмов, которое в дальнейшем приводит к движению самих этих механизмов и машин (генератор, конвейер предприятия, станок, движущая машина и др.)

Слайд 12

Польза трения в технике и природе

Слайд 13

Вывод Сила трения играет огромную роль не только в технике, но и в живой природе. Без силы трения животные и люди не смогли бы передвигаться, а растения не смогли бы распространять семена. Без силы трения вся живая природа не смогла бы существовать.

Ссылка на основную публикацию