X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Инерция и сила трения.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Цели и задачи
Целью данного проекта является выяснить какую роль играют явления инерции и трения в нашей жизни, как человек получил знания об этих явлениях, какова его природа.
Задачи:
Какую пользу и какой вред несет людям инерция.
Выяснить природу явлений инерции и силы трения.
Провести эксперименты, подтверждающие взаимосвязь силы трения и тормозного пути.
2. Введение
Для начала стоит разобраться, что такое инерция и сила трения. Инерция −свойство тел сохранять состояние покоя или движения, пока какая-нибудь внешняя сила не изменит этого состояния.
Сила трения − один из видов взаимодействия тел. Оно возникает при соприкосновении двух тел. Трение, как и все другие виды взаимодействия, подчиняется третьему закону Ньютона: если на одно из тел действует сила трения, то такая же по модулю, но направленная в противоположную сторону сила действует и на второе тело. Силы трения, как и упругие силы, имеют электромагнитную природу. Они возникают вследствие взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел.
Теперь, когда мы разобрались, что представляют из себя эти явления можно приступать к основной части.
3.История развития знаний об инерции.
Слово «инерция» пришло к нам из латинского языка, что означало inertia – бездействие, неподвижность. Поэтому и говорят, что инертный человек бездеятельный, вялый, лишенный активности и инициативы.
Еще древнегреческие ученые размышляли о причинах совершения и прекращения движения. У Аристотеля(384 г.- 322 г. до н.э.) в труде «Физика» приводится рассуждение о движении в пустоте: «Никто не сможет сказать, почему тело, приведенное в движение, где-нибудь остановится здесь, а не там? Следовательно, ему необходимо или покоиться, или двигаться до бесконечности». Хотя сам Аристотель считал, что пустота в природе не может существовать, и в другом его труде, «Механика», утверждается: «Движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие». Наблюдения показывали, что тело останавливалось при прекращении действия, толкающей его силы. Но здесь не учитывалось противодействие внешних сил. Поэтому Аристотель связывал неизменность скорости движения любого тела прилагаемой к нему силы.
Только через два тысячелетия Галилео Галилей (1564-1642г.г.) смог исправить ошибку Аристотеля. Ученый здесь впервые применил метод логического мышления.
Проводя свой знаменитый мысленный эксперимент со скатывающейся с наклонной плоскости тележкой, он выяснил, что при движении по горизонтальной плоскости у тела нет причин ускоряться или замедляться, и оно должно находиться в состоянии равномерного движения или покоя. Галилей просто и ясно доказал связь между силой и изменением скорости, а не между силой и самой скоростью, как считал Аристотель и его последователи.
Формулировку инерции дал Рене Декарт (1596-1650г.) в 1644 году, который считал движение по инерции основным видом движения. И. Ньютон(1642-1727г.) включил это в свой Первый закон, который называется Законом инерции: «Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние».
4.Опыт человечества по использованию инерции и силы трения.
Изначально человек использовал силу трения для добычи огня.Первым способом зажигания огня, освоенным людьми, было добывание огня трением одним куском дерева о другой. В разных вариантах этот способ существовал практически везде, где жили люди. При этом применялось три способа: сверление, пиление и проведение борозды.
Уже в наше время был изобретен инерционный накопитель энергии.Под инерционным (маховичным) накопителем энергии понимается устройство, накапливающее энергию во вращающейся массе. Фактически это большой аккумулятор, ты его заряжаешь, а в случае надобности берешь часть энергии из него. Главные достоинства этих аккумуляторов в том, что они быстро заряжаются и очень долго держат заряд, а также они очень емкие.
Гончарный круг − устройство для формирования посуды и керамических изделий, позволяющий использовать инерцию вращения для создания формы изделий и повышения производительности труда. Ручной гончарный круг одной рукой вращают на вертикальной оси и формируют изделие другой рукой. Ножной гончарный круг приводят в движение с помощью махового колеса, расположенного внизу, которое вращают ногами. При этом обе руки гончара остаются свободными, что позволяет формовать изделия не только спиральным налепом жгута, как на ручном гончарном круге, но и вытягивать из целого куска глины. Изобретение и распространение гончарного круга привело к появлению и обособлению специалистов-гончаров. В различных странах гончарный круг использовался в разное время.
5.Природа явлений инерции и силы трения
Природа силы трения электромагнитная. Это означает, что причиной её возникновения являются силы взаимодействия между частицами, из которых состоит вещество. Второй причиной возникновения силы трения является шероховатость поверхности.Выступающие части поверхностей задевают друг за друга и препятствуют движению тела.
Инерция – свойство данное в равной степени всем телам (свойство тела).
6.Вред и польза инерции
У каждого явления есть свои положительные и отрицательные стороны. Давайте попробуем найти их у инерции.
Положительные:
В хоккее после удара клюшкой по шайбе, она продолжает двигаться по инерции
Удар ногой по футбольному мячу приводит его в движение.
Лыжник, спускаясь с горы, ещё некоторое время движется по инерции
На велосипеде не всегда крутишь педали, набрав нужную скорость,велосипед продолжает движение по инерции;
Помогает спортсмену толкнуть штангу, ядро;
Трудна задача военного летчика, которому поручено сбросить бомбу на определенное место: ему приходится принимать в расчет и скорость самолета, и влияние воздуха на падающее тело и, кроме того, еще скорость ветра. Ведь бомба будет некоторое время по инерции соблюдать прежнюю скорость.
Если ветра нет, сброшенная бомба лежит по кривой АF; при попутном ветре бомбу относит вперед, и она движется по кривой АG; при встречном ветре умеренной силы бомба падает по кривой АD, если ветер вверху и внизу одинаков; если же, как часто бывает, ветер внизу имеет направление, противоположное верхнему ветру (наверху – встречный, внизу – попутный), кривая падения изменяет свой вид и принимает форму линии АЕ.
Подобный расчет траектории падения с учетом явления инерции производят и при доставке грузов воздушным транспортом в недоступные районы: жителям Крайнего Севера, исследователям-полярникам на дрейфующие льды, жителям районов, отрезанных стихией и др.
Шар при игре в боулинг катится тоже по инерции;
Инерция используется человеком при ходьбе и прыжках в длину;
Насаживание рукоятки топора и молотка;
Помогает при колке дров;
Встряхивание медицинского термометра, мокрой одежды;
А бывали ли вы в цирке? Цирк всегда приносит людям радость. У кого не захватывает дух, например, когда на большой скорости мотоциклист перелетает через проем на другую часть моста. В зале по окончании такого полета обычно облегченно вздыхают. И немногие знают, что этот трюк возможен только благодаря инерции!
А какую положительную роль играет она в космонавтике! Ведь после выхода космического корабля на заданную траекторию можно отключить двигатели, а корабль продолжит свое движение в нужномнаправлении.
Выбивание пыли из ковра. Когда хлопушка попадает по ковру, то сила удара заставляет часть ковра двигаться в направлении удара. Пыль просто не успевает за ковром
Хороший шофер благодаря инерции сохраняет литры бензина и др.
Отрицательные:
Из-за инерции транспортное средство не может начинать движение мгновенно, и не может резко тормозить.
Автомобиль после вынужденного, резкого торможения сразу не остановится, а некоторое время ещё продолжает движение. При скорости 15 км/ч тормозной путь будет составлять около1,5 метров, при скорости 60 км/ч тормозной путьбудет составлять около 20 метров, при скорости 90 км/ч – 40 метров. Это ещё во многом зависит от дорожного покрытия, погодных условий, состояния колес и от массы транспорта.Поэтому нельзя перебегать дорогу перед близко идущим транспортом.
Не следует забывать о ремнях безопасности. Ремни безопасности пристегивают в автомобиле, чтобы они удерживали пассажиров при внезапной остановке автомобиля. Автомобиль и человек, находящийся в нем, движутся с одинаковой скоростью. Однако, когда автомобиль быстро замедляет свой ход (внезапно сбрасывает скорость), пассажир, не привязанный ремнем безопасности к сиденью, продолжает двигаться вперед по инерции с прежней скоростью.
Когда обо что-то спотыкаешься, то останавливаются только ноги, а тело продолжает двигаться – падаешь.
Падения в гололед и др.
Все же положительных сторон у инерции больше, чем отрицательных. И пусть она будет служить нам во благо.
Таким образом, инерция – это явление, объективно существующее в нашем мире и только глубоко осознавая все его свойства мы можем использовать его во благо, там, где это не обходимо, либо учитывать его действия для уменьшения вредоносного эффекта.
7.Положительные и отрицательные эффекты силы трения
Положительные:
Вот несколько примеров. Сама по себе сила трения допускает в нашу жизнь движение, способность держать предметы, трогать. Мелодия, исходящая от скрипки существует за счет того, что смычок приводит в колебание струны. Струна под смычком всегда движется медленнее, чем смычок. Когда струна движется навстречу смычку, то сила трения скольжения тормозит струну, замедляя ее движение. А когда смычок движется по направлению струны, то сила трения скольжения наоборот “тащит” струну за собой, не давая ей отставать. Когда зимой на дорогах образовывается лед, то велика вероятность аварий, также пешеходы могут получить травмы на заледеневших тропинках. Чтобы этого избежать, можно насыпать песок на дорогу, тем самым увеличить силу трения. Польза силы трения качения в том, что катящееся колесо немного вдавливается в дорогу, и перед ним образуется небольшой бугорок, который приходится преодолевать. Так происходит движение. В 1779 году французский физик
Кулон установил, от чего зависит максимальная сила трения покоя. Чем тяжелее книга, лежащая на столе, чем сильнее она прижимается к столу, тем труднее ее сдвинуть. Именно за счет трения покоя все остается на своих местах: шнурки не развязываются, гвоздь держится в стене, шкаф стоит на своем месте.
Отрицательные:
Но, наряду с плюсами, есть еще и минусы. Человек никогда не сможет изобрести вечный двигатель, т.к. со временем любое движение прекратится из-за силы трения и приходится время от времени это движение сохранять – воздействовать на него. Трение не только тормоз для движения, это еще и главная причина изнашивания технических устройств - проблема, с которой человек столкнулся на заре цивилизации.Леонардо да Винчи занимался многими вопросами деталей машин, трения и износа. Сила трения направленна в противоположную от приложенной силы сторону, и это приводит к совершению большой работы.
8.Примеры взаимосвязи инерции и силы трения
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.
Что такое "масса"?
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 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.
Чем тяжелее машина, тем сложнее ее остановить (а также и разогнать) и, якобы, тем длиннее тормозной путь. Остановить машину действительно сложнее, 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, сила притяжения двух тел пропорциональна произведению масс (гравитационных) этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния междними.
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.
Чем тяжелее машина, тем сильнее она давит на колеса, тем лучше прижимает их к дороге и тем лучше сцепление шин с дорогой. Сила трения покоя (в нашем случае - сила сцепления шин с дорогой) пропорциональна весу тела N: Fтр = µ N = k mг g, где mг – гравитационная масса машины, µ – 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 и пустить машину в «юз» (движение без вращения колес).
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. Что же победит?
Нам поможет Закон сохранения энергии
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 (тормозной путь).
Машина тормозит не тормозами, а шинами
Сила трения Fтр равна µmг g – произведение коэффициента трения µ, гравитационной массы mг и ускорения свободного падения g. И сразу вопрос: о какой силе трения идет речь? О силе трения колодок о тормозной диск? Или о силе трения шины о дорогу? Вообще, первопричина торможения – сила трения колодок о диски. Но она не может превышать силу трения между шиной и дорогой: в этом случае шины начинают скользить, либо машина идет юзом. После чего любое усиление нажатия на тормоз не дает выигрыша в торможении, и машина продолжает тормозить за счет трения шин о дорогу. Поэтому для случая экстренного торможения нужно считать, что сила трения колодок о диски равна силе сцепления шин с дорогой. И тогда µ - коэффициент сцепления шин с дорогой, если шины на грани скольжения, или это коэффициент скольжения шин о дорогу, если колеса заблокированы, и машина тормозитюзом. .
Еще раз смысл: с одной 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 µ 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.
9. Эксперимент
Я использовал инерционную игрушечную машинку для того, чтобы посмотреть на каких поверхностях она лучше всего сохраняет свою скорость и на каких поверхностях проходит больший путь.
Для этого я трижды проводил машинкой по столу и отпускал потом ее на разных поверхностях.
|
№ опыта |
Поверхность |
Путь |
|
1 |
Гладкая половая плитка |
2,7 м |
|
2 |
Ковер |
0,87 м |
|
3 |
Деревянный подоконник |
2,65 м |
|
4 |
Половая плитка анти-слип |
0,86 м |
10. Вывод
Благодаря эксперименту я выяснил, что самый короткий путь инерционная машинка проезжает по деревянному подоконнику и по половой плитке антислип ,значит на этих поверхностях возникает наибольшая сила трения.
За время работы над проектом я узнал много новых примеров проявления инерции и силы трения в нашей жизни, а также много интересных фактов об инерции и силе трения. Я нашел много интересной информации и открыл много нового.
Список использованных ресурсов:
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BE%D0%BD%D1%87%D0%B0%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BA%D1%80%D1%83%D0%B3
http://www.alobuild.ru/ispolzovaniye-vozobnovlyayemoy-energii/inercionniye.php
https://znanija.com/task/926768