IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ФИЗИКА И БЕЗОПАСНОСТЬ НА ДОРОГАХ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Актуальность
В связи с ростом численности автопарка и увеличивающейся интенсивностью движения на дорогах Российской Федерации особо остро стоит проблема дорожно-транспортного травматизма. Анализ аварийности убедительно показывает, что наиболее уязвимыми участниками дорожного движения являются дети, поскольку в большинстве случаев их безопасность зависит от действий или бездействия взрослых. Смертность и травматизм в результате дорожно-транспортных происшествий сегодня являются серьезнейшей проблемой мирового здравоохранения. Госавтоинспекция службы общественной безопасности МВД России представила сводку общего количества дорожно-транспортных происшествий (ДТП) в 2015 году в РФ И Московской области указанием числа погибших и раненых[8]. Основной лидирующей позицией по видам ДТП являются наезды на пешеходов (приложение1). Многие школьники имеют своим первым транспортным средством велосипед. Каждое восьмое происшествие происходит с участием молодых граждан страны. Половину всех пострадавших в ДТП детей составляют юные пешеходы и велосипедисты, из которых подавляющее большинство (89%) составляют школьники. Но чтобы уберечь свою жизнь, мы, школьники, должны знать Правила дорожного движения и выполнять их. Из отчетов ГИБДД мы выяснили, что число аварий в снежную или дождливую погоду говорит о большом влиянии этого фактора на аварийность(приложение2). Из курса физики мы уже знаем, что трение влияет на движение транспорта. Машины едут по дороге из-за возникновения силы трения между поверхностью автомобильных шин и покрытием дороги. От трения зависит тормозной путь автомобиля. И часто юные водители, пешеходы не «рассчитывают» путь, который автомобиль проходит до полной остановки при торможении. Что это, пренебрежение или незнание основных законов физики? И мы решили изучить законы движения при торможении и практически исследовать зависимость тормозного пути от различных факторов. Наша работа носит прикладной характер. Результаты нашей работы и ознакомления с ней широкого круга учащихся помогут нам внести вклад в дело уменьшения количество ДТП с участием школьников. Для нашего исследования нам не хватило знаний по физике за курс 7 и 9 классов и нам пришлось искать теоретическое обоснование законов движения в журналах для автолюбителей, специальных справочных материалах. Для постановки эксперимента обращались к книге А.Д.Солодушко, статистику ДТП выясняли на сайтах ГИБДД.
Проблема
Незнание школьниками физических факторов, влияющих на тормозной путь транспорта, ведёт к роковым ошибкам на дороге, что приводит к увеличению детского ДТП и травматизму.
Гипотеза: тормозной путь автомобиля зависит от скорости автомобиля и от состояния дорожного покрытия.
Цель работы: исследовать влияние физических факторов на движение транспорта для предотвращения ДТП.
Предмет: безопасность на дороге.
Объект исследования: тормозной путь, как физический фактор безопасного поведения на дрогах.
Задачи
1.Поиск информации для изучения теоретических основ природы силы трения, тормозного пути, безопасного движения.
2.Проведение серии экспериментов с целью исследования силы трения.
3.Экспериментальная проверка зависимости тормозного пути от факторов, влияющих на безопасность на дорогах.
4.Обобщения полученных знаний и ознакомления с ними широкого круга школьников.
Методы исследования
1. Анализ и синтез.
2. Моделирование.
2.Эмпирический метод.
3.Графический метод.
Глава 1. Трение
1.1 История изучения силы трения
Трение настолько необходимо и мы настолько сжились с ним, что мир без трения показался бы нам просто фантастическим. Трение может быть полезным и вредным - эту аксиому человек освоил еще на заре цивилизации. Ведь два самых главных изобретения - колесо и добывание огня - связаны именно со стремлением уменьшить и увеличить эффекты трения. Однако понимание природы трения и законов, которым подчиняется это явление, возникло не так уж давно и, к сожалению или к счастью, еще далеко от совершенства. Первое исследование законов трения принадлежит знаменитому итальянскому ученому и художнику Леонардо да Винчи (15 век): сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна силе прижатия, направлена против направления движения и не зависит от площади контакта соприкасающихся поверхностей. Он измерял силу трения, действующую на деревянные бруски, скользящие по доске, причем, ставя бруски на разные грани, определял зависимость силы трения от площади опоры. Но, к сожалению, работы Леонардо да Винчи не были опубликованы. Только в конце 18 века законы трения скольжения были сформулированы французскими физиками Гильомом Амонтоном (1663г–1705г) и независимо от него Шарлем Кулоном (1736г– 1806г) (приложение3). Кулон экспериментально установил, что сила трения Fтр не зависит от площади поверхности, вдоль которой тела соприкасаются, и пропорциональна силе нормального давления N, с которой одно тело действует на другое.Закон Амонтона — Кулона —закон, устанавливающий связь между поверхностной силой трения, возникающей при относительном скольжении тела, с силой нормальной реакции, действующей на тело со стороны поверхности.
Сила трения максимальная прямо пропорциональна силе нормальной реакции.
Fтр. max= μN(1), где
μ -коэффициент трения,
N -сила нормальной реакции
1.2 Причина возникновения силы трения и ее виды
Сила трения — это сила взаимодействия между соприкасающимися телами, препятствующая перемещению одного тела относительно другого.
Причиной возникновения трения является шероховатость трущихся поверхностей и взаимодействие молекул этих поверхностей.
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 деформации контактирующих тел. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного относительного движения.
Трение скольжения – сила, возникающая при поступательном перемещении одного из взаимодействующих тел относительно другого и действующая на это тело в противоположном направлении скольжения.
Трение качения – сопротивление движению, возникающее при перекатывании тел друг по другу. Причина трения качения – деформация тела и опорной поверхности. В большинстве случаев величина трения качения гораздо меньше величины трения скольжения при прочих равных условиях, и потому качение является распространенным видом движения в технике.
При движении твёрдого тела, соприкасающегося с жидкостью или газом, тоже возникает сила, параллельная поверхности соприкосновения и направленная против движения, т. е. против относительной скорости тела. Этим она напоминает силу трения скольжения. Её часто называют: «сила жидкого трения».
Сила жидкого трения намного меньше, чем сила сухого трения. Например, находясь на плоту, можно с помощью шеста сравнительно небольшим усилием привести плот в движение. Но не «стоит» и пытаться на плоту таким же способом передвигаться по суше. Именно поэтому смазка уменьшает силу трения между твёрдыми телами – трение перестаёт быть сухим.
В жидкости и газе нет силы трения покоя. Даже самая малая сила, приложенная к телу в жидкости или газе, сообщает ему ускорение. Это легко наблюдать на опыте. Положим небольшой деревянный брусок на воду в широком сосуде. Брусок легко привести в движение, если подуть на него или толкнуть бумажной полоской.
Глава 2. Безопасность на дорогах
2.1 Тормозной путь
Сила трения отличается от других сил тем, что она всегда направлена в сторону, противоположную направлению вектора скорости движения тела. Это значит, что и ускорение, которое она сообщает телу, направлено против скорости. Это приводит к ее уменьшению и, если на тело не действуют другие силы, оно, в конце концов, останавливается. Представим себе, что перед движущимся автомобилем возникло препятствие, и водитель нажал на тормоз. За счет явление инерции автомобиль мгновенно остановиться не может. Он обязательно пройдет некоторый путь до остановки. Инерция – это физическое явление сохранения скорости тела постоянной, если на него не действуют другие тела или их действие скомпенсировано. Наименьшее расстояние, которое пройдёт автомобиль до остановки с момента появления препятствия в поле зрения водителя, называется дистанцией безопасности. Это понятие имеет большое значение в технике работы автомобильного транспорта и для безопасности перехода автомобильных дорог пешеходами. Также она зависит от времени реакции водителя на препятствие. Оно колеблется у водителей в пределах от 0,5 до 1,2 с. Расстояние, проходимое автомобилем с момента действия тормозной системы в полную силу до остановки автомобиля, называется тормозной путь автомобиля.
С помощью знаний по физике выясним, от чего зависит тормозной путь автомобиля. Начиная с того момента, как водитель нажал на тормоза, на тело действует только постоянная сила трения, силой сопротивления воздуха можно пренебречь. Определим тормозной путь.
Модуль силы трения по второму закону Ньютона равен:
F= mа
а = Fтр/m,
гдеа- ускорение автомобиля;
с другой стороны, по закону Амонтона — Кулона
Fтр. = μN= μmg.
Из раздела кинематики мы узнали, что
a= (V-V0) /t,
а путь, пройденный телом до остановки,
S= (V2-V02)/2a
С учетом всех формул и того, что V=0 получаем:
S = V02 / 2gµ,(2)
где: S — тормозной путь;
V — скорость движения машины;
µ — коэффициент трения шины о дорогу;
g — ускорение свободного падения.
Из приведенной формулы видно, что пройденный до остановки путь пропорционален квадрату начальной скорости. Если увеличить скорость вдвое, то потребуется вчетверо больший путь для остановки. Это следует иметь в виду водителям транспортных средств. Об этом полезно помнить и прохожим, пересекающим оживленную улицу.
Вывод: для остановки движущимся телам нужно время и пространство. Тормозной путь прямо пропорционален квадрату скорости и обратно коэффициенту трения. Можно с уверенностью говорить о независимости тормозного пути от массы машины, если она соответствует общепринятым нормам безопасности
2.2 Сцепление - основабезопасного вождения.
Сцепление шины с дорогой —чем оно выше, тем безопаснее вы можете вести машину. Шина под действием силы тяжести автомобиля деформируется, образуя так называемое пятно контакта (приложение 4). Среди автолюбителей принято считать, что чем шире шина, тем больше площадь пятна контакта шины с дорогой и тем лучше сцепление с дорогой, тем короче тормозной путь, тем лучше управляемость машины. А еще иногда думают, что если машина тормозит не прямо, а боком, то тормозной путь будет короче, потому что шире пятно контакта. Это не так. Приведем доказательства из механики. Как видно из формулы(2), тормозной путь не зависит от ширины профиля шины и площади пятна контакта шины с дорогой. В этой формуле есть единственный показатель — это коэффициент трения, который зависит от природы соприкасающихся тел. В данном случае — от типа дорожного покрытия и от химического состава протектора шины. Соответственно, и сцепление шины с дорогой зависит от состава резиновой смеси протектора.
Почему же пятно контакта не влияет на силу сцепления? С одной стороны, чем больше его площадь, тем большим числом «щупальцев» шина цепляется за дорогу. Этот факт лежит на поверхности, и люди охотно думают, что сцепление пропорционально ширине шины. Но есть и другая сторона медали, о которой многие забывают: от размера пятна контакта напрямую зависит вес шины, приходящийся на единицу площади, то есть давление, которое она оказывает своим весом на дорогу. Чем больше площадь контакта, тем меньше давление шины на дорогу. По этой причине, зимние шины всегда уже летних — чтобы увеличить давление на дорогу и лучше «вгрызаться» в снежно-ледяную корку. В итоге, если мы увеличиваем площадь пятна контакта, то мы уменьшаем давление на дорогу. Получается, во сколько раз мы увеличиваем площадь сцепления с дорогой, ровно во столько же раз мы уменьшаем давление на дорогу.
Что говорят о сцеплении законы механики? Если снова прибегнуть к помощи формул, то сила трения сцепления (она же сила трения покоя) в отсутствии адгезии (эффекта приклеивания соприкасающихся поверхностей) определяется законом Амонтона — Кулона по формуле (1)
Как видно, площадь пятна контакта в силу трения покоя вклада не вносит, как и в длину тормозного пути. Можно закон переписать иначе, с учетом площади пятна контакта и отразить влияние пятна на давление. Давление тела на опору или, в нашем случае, шины на асфальт равно весу тела (шины), деленному на площадь контакта:
p = N/S = mg/S, (3)
где p — давление шины на дорогу,
Тогда отсюда можно выразить вес через давление:
N = pS (4)
Подставив эту формулу в закон Кулона, получим:
F = µpS (5)
Сила сцепления шины с дорогой пропорциональна коэффициенту сцепления, давлению шины на дорогу и площади пятна контакта. Это именно то, как воспринимает силу сцепления большинство людей. Но давление напрямую зависит от площади пятна контакта и обратно пропорционально ему. Об этом говорит формула (3). Поставляя сюда выражение для давления, получим:
F = µmgS/S (6)
Тогда площадь мы успешно сокращаем и приходим к закону Кулона (1) и силе сцепления, не зависящей от площади пятна контакта. Некоторые водители прохладно относятся к тому, какие шины стоят на их машинах, и думают, что это неважно. Мы считаем, что это важно! Чуть ли не самое важное, что есть в машине. Но среди тех водителей, которые ценят безопасность, встречаются те, которые думают, что они улучшат сцепление, если поставят на свой автомобиль более широкие шины. Если бы было все так просто и широкие шины тормозили бы лучше узких, то производитель шин могли бы легко решить проблему зимы — делали бы очень широкие зимние шины. Однако этого не происходит и, более того, происходит обратное: зимние шины, как правило, «уже» летних. Чтобы улучшить сцепление шин с дорогой, нужно установить шины, сделанные из резины более высокого качества. Машина тормозит не тормозами, а шинами. Если на автомобиле стоят изношенные или дешевые или просто не соответствующие сезону шины, автомобиль тормозит плохо, и хорошие тормоза ему не помогут [5].
Вывод: сцепление шины с дорогой не зависит от ширины шины и площади пятна контакта, а зависит от материала шин. Чем больше сцепление шины с дорогой, тем безопаснее вести машину.
Практическая часть
1. Исследование зависимости силы трения от веса тела и вида поверхности (приложение 5)
Оборудование: динамометр, брусок деревянный с отверстиями и с крючком, набор грузов по 50 г, направляющие рейки (деревянные, пластиковые).
Измерение силы трения, веса бруска с грузами с помощью динамометра.
Вычисление коэффициента трения μ по формуле μ= Fтр/Р
Таблица1 Дерево по дереву.
|
Брусок |
Брусок и один груз по 50 г |
Брусок и два груза по 50 г |
Брусок и три груза по 50 г |
|
|
Сила трения Fтр, H |
0,2 Н |
0,4 Н |
0,6 Н |
0,8 Н |
|
Вес тела P, H |
0,5 Н |
1 Н |
1,5 Н |
2 Н |
|
Коэффициент трения,μ (н/м) |
0,4 Н |
0,4Н |
0,4Н |
0,4Н |
Таблица 2 Дерево по пластику.
|
Брусок |
Брусок и один груз по 50 г |
Брусок и два груза по 50 г |
Брусок и три груза по 50 г |
|
|
Сила трения Fтр, Н |
0,2 Н |
0,2 Н |
0,3 Н |
0,4 Н |
|
Вес тела Р, Н |
0,5 Н |
1 Н |
1,5 Н |
2 Н |
|
Коэффициент трения,μ |
0,2Н |
0,2Н |
0,2 Н |
0,2Н |
Вывод: мы убедились в том, что сила трения зависит от веса тела и от материала поверхности. Самая наименьшая сила трения и коэффициент трения у поверхностей дерево-пластик. Коэффициент трения не зависит от веса тела.
2. Исследование зависимости силы трения от площади поверхности
Двигали брусок по поверхности дерева тремя разными сторонами, тем самым меняли площадь соприкосновения бруска с поверхностью. Измеряли силу трения динамометром.
Таблица3
|
Площадь соприкосновения поверхности с телом |
S1 |
S2 |
S3 |
|
Сила трения |
0,2 Н |
0,2 Н |
0,2 Н |
Вывод: сила трения не зависит от площади поверхности, что подтверждает независимость сцепления от ширины шины.
3.Расчет коэффициента трения тормозного пути велосипеда при различных покрытиях дороги (приложение 6).
Мы разогнали велосипед до определенной скорости и резко затормозили.
При помощи измерительной ленты мы измерили длину тормозного пути.
и по формуле µ = V02 / 2Sg
Рассчитали коэффициент трения покрытия дороги. Эксперимент проводился при разных покрытиях дороги и несколько раз для более точного расчета. Вычисляли среднее значение коэффициент трения.
Таблица 5
|
Поверхность |
Скорость, V0 м/с |
Тормозной путь(м) |
Коэффициент трения, μ (н/м) |
Среднее значение коэффициента трения, μ(н/м) |
|
Сухой асфальт |
6,4 м/с 5,8м/с 6,1 м/с 6,8 м/с 5,4 м/с 5,6 м/с |
3,4 м 2,8 м 3,1 м 3,9 м 2,4 м 2,6 м |
0,60 0,60 0,60 0,59 0,61 0,61 |
0,6 |
|
Мокрый асфальт |
4,2 м/с 3,8 м/с 4,7 м/с |
3 м 2,4 м 3,7 м |
0,29 0,30 0,30 |
0,3 |
|
Рыхлый снег |
6,4 м/с 6,7м/с 6,2 м/с |
5,3 м 6 м 4,8 м |
0,38 0,37 0,40 |
0,4 |
|
Лёд |
5,6 м/с 5,9м/с 6,2 м/с 5,2 м/с |
7,8 м 9 м 10 м 6,8 м |
0,24 0,19 0,19 0,20 |
0,2 |
Мы построили график зависимости тормозного пути от скорости велосипеда при различных физических параметрах дороги (приложение 6).
Вывод: тормозной путь автомобиля зависит от скорости автомобиля и от состояния дорожного покрытия. При одних и тех же скоростях движения тормозной путь больше на заснеженной дороге, чем на чистой асфальтированной дороге. Коэффициент трения минимален при движении по льду.
Заключение
Физика – это не просто сухие законы и четкие формулы. Знание законов механики движения автомобиля, понятия величины тормозного пути и его зависимость от трения и скорости позволят предупредить аварийные ситуации на дорогах и сделать нашу жизнь безопасной. Правила дорожного движения описывают одновременно движения нескольких тел: автомобилистов, велосипедистов, пешеходов. Все они должны учитывать законы физики и совершать движения с учетом этих законов.
Проведя практические исследования, мы пришли к выводу, что наиболее безопасным покрытием для движения транспорта является сухой асфальт. Наименее безопасным является лед. Анализируя результаты теоретических и практических исследований, мы убедились, что наша гипотеза подтвердилась: длина тормозного пути зависит от скорости движения и трения. Чем больше скорость транспорта, и меньше коэффициент трения шин о дорогу тем больше тормозной путь.
Запомните:
-не перебегайте дорогу перед близко движущимся транспортом – это очень опасно для жизни;
-тормозной путь увеличивается на мокром асфальте и при гололеде;
-если на улице гололед, а у вас “лысая резина”, то длина тормозного пути, независимая от ширины шин, может оказаться непредсказуемой
Новизна нашей работы заключается в том, что мы проверили непосредственно значение тормозного пути при разных покрытиях дороги и скорости для велосипеда - самого популярного транспорта школьников. Свою работу мы представляли на лицейской и районной научно-практической конференциях для широкого круга школьников. Наши исследования можно применять как на уроках физики, так и на уроках ОБЖ и мы надеемся, что наша работа внесет вклад в пользу уменьшения ДТП с участием школьников. В дальнейшем мы планируем изучить и исследовать законы безопасного движения воздушного транспорта.
Библиографический список
1. Перышкин А.В. Физика – 7. – М.: «Просвещение».2015
2. Перышкин А.В. Физика – 9. – М.: «Просвещение».2015
3. «Наука и техника в дорожной отрасли», журнал № 2–2014
4.Солодушко А.Д. Эксперимент при изучении силы трения. //Физика в школе. №5.2001
5. Практическое пособие «Комментарии к правилам дорожного движения РФ и Основным положениям по допуску транспортных средств к эксплуатации и обязанностям должностных лиц по обеспечению безопасности дорожного движения» - журнальное издательство «За рулем», 2002 г.
6.http://pandia.ru/text/78/420/5362.php
7.Statsoft.ru
8.http://www.gibdd.ru
9.http://www.preciouspassenger.org
10.http://moto.59442s003.edusite.ru/p16aa1.html
11.https://www.drive2.ru/b/65558/
Приложение 1
Общий коэффициент смертности детей в результате ДТП в России в 2013 г. составил 36,1 на 1 млн. населения в возрасте до 16 лет, что более чем в три раза превышает таковой в странах ЕС. Только за 7 месяцев 2015г. зарегистрировано 13 324 ДТП с участием детей и подростков, в них погибли 750 и получили ранения 13 543 детей. Ежедневно в дорожных происшествиях погибают 3 и получают ранения 70 несовершеннолетних жителей страны. 58% от общего количества ДТП составляют случаи, когда пострадавшие были пешеходами, а 32% - пассажирами. Эти цифры, учитывая масштабы и тяжесть травм, соответствуют всем признакам национальной катастрофы. С начала года в Московской области осложнилась обстановка с детским дорожно-транспортным травматизмом среди детей и подростков в возрасте до 16 лет. В 1-м квартале 2015 года было зарегистрировано 186 ДТП, в результате которых 13 детей погибли и 184 получили травмы различной тяжести. В сравнении с аналогичным периодом прошлого года количество ДТП, погибших и раненых детей возросло, соответственно, на 0,5; 44 и 1%.
Приложение 2
Погодный фактор может быть довольно значимым и влияющим на результат; действительно, на мокром или обледеневшем покрытии или же в дождь столкновения более реальны. Доля ДТП с мокрым покрытием достаточно велика.
Сводки ГИБДД. Круговая диаграмма отражает погодные условия, сложившиеся на момент ДТП.
Приложение 3
Гильом Амонтон и Шарль Кулон.
Гильом Амонтон Шарль Кулон
Приложение 4
Протектор велосипедной шины.
Приложение 5
Измерение силы трения на различных поверхностях с помощью динамометра.
Дерево по дереву Дерево по пластику
Приложение 6 Замер тормозного пути велосипеда на разных покрытиях дороги.
Мокрый асфальт
Лёд
Рыхлый снег
Сухой асфальт
Приложение 7
Спидометр для велосипеда.
Приложение 8
График зависимости тормозного пути от скорости при различных состояниях покрытия дороги.