Исследование силы трения

VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Исследование силы трения

Смирнова А.А. 1
1МОУ - СОШ ПОС. ЧАЙКОВСКОГО
Шашлова Т.А. 1
1МОУ - СОШ ПОС. ЧАЙКОВСКОГО
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

 

Трение – удивительное чудо природы! Оно подарило человечеству огонь и тепло, возможность в короткое время остановить скоростной поезд и автомобиль, ускорить химическую реакцию, записать человеческий голос на пластинку, услышать звуки скрипки и многое другое.

В 1883 году знаменитый русский инженер и учёный Николай Павлович Петров писал: «Силу трения можно замечать всегда и повсюду, и её надо поставить в ряду могущественнейших способов, при посредстве которых природа превращает один вид энергии в другой, мало-помалу заменяя их тепловыми. Эта сила обнаруживает своё влияние в самых разнообразных явлениях природы, возбуждая живой интерес учёных самых разнообразных направлений. Знание законов трения необходимо и астроному, и физику, и физиологу, и технику».

Наша жизнь связана с движением в сопротивляющихся средах: по суше, воздуху и воде. Трение присутствует во множестве окружающих нас явлений, играя при этом как полезную, так и вредную роль.

Поэтому возникает проблема: от чего зависит величина силы трения?

Вопросы моего младшего брата о характере езды его игрушечной машинки и желание определить особенности силы трения обусловили выбор темы исследования «Определение факторов, влияющих на величину силы трения».

Объектом исследования является сила трения.

В качестве предмета исследования выступают факторы, влияющие на величину силы трения.

Целью исследования является изучение влияния силы давления, рода соприкасающихся поверхностей, площади соприкасающихся поверхностей на величину силы трения.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

Подбор, изучение, анализ и обобщение литературы по проблеме;

изучение влияния силы давления, рода и площади соприкасающихся поверхностей на величину силы трения;

анализ полученных результатов;

Гипотеза исследования: сила трения зависит от силы давления, рода соприкасающихся поверхностей и не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

В ходе работы использовались следующие методы исследования:

Теоретические (изучение, анализ, обобщение литературы).

Эмпирические (наблюдения, беседы, опрос и измерения).

Интерпретационные (количественная и качественная обработка результатов).

Новизной работы является постановка простейших опытов, позволяющих изучить влияние (не влияние) силы давления, рода и площади соприкасающихся поверхностей на величину силы трения.

Практическая значимость работы состоит в том, что использование поставленных опытов, позволяет рассмотреть вопрос о величине силы трения более наглядно и учесть в жизни и быту влияние силы давления и качество обработки поверхностей на величину силы трения.

Глава 1. Теоретические основы трения

1.1 Интерес к изучению природы трения

Изучением причин и природы трения занимались выдающиеся естествоиспытатели в разные времена и эпохи. Люди отчетливо ощущали трение, перетаскивая волоком гигантские каменные глыбы, необходимые для сооружения древних святилищ. Первые катки с успехом использовали для перетаскивания тяжелейших статуй богов в Месопотамии почти четыре тысячи лет тому назад [1].

Увлекаемые ветром и течением реки бревна, не тонущие даже под большим грузом, навели на мысль о плотах, которые породили первые примитивные суда, приводимые в движение веслами и парусом. Стало ясно, что изнуряющего трения на суше можно избежать, заменяя сухопутные перевозки речными, а затем и морскими. Так, шаг за шагом, человек научился успешно бороться с трением доступными и привычными способами, передаваемыми из поколения в поколение [2].

Но трение не только тормоз для движения. Это еще и главная причина изнашивания технических устройств. Разобравшись в секретах трения, значительно легче понять, как и за счет чего происходит постепенное стирание поверхностей.

Быстро развивавшаяся техника XX века требовала все большего внимания к исследованию трения. В 30-е годы XX века появилась новая наука, лежащая на стыке механики, физики поверхностных явлений и химии - трибология – наука, изучающая трение.

1.2 Понятие силы трения

Сила трения – это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого, приложенная к движущемуся телу и направленная в сторону, противоположную движению [3]. Сила трения имеет электромагнитную природу.

Действие силы трения всегда сопровождается превращением механической энергии во внутреннюю энергию и вызывает нагревание тел и окружающей их среды.

Существует внешнее и внутреннее трение. Внешнее трение – вид трения, при котором в местах соприкосновения твёрдых тел возникают силы, затрудняющие взаимное перемещение тел и направленное по касательной к их поверхностям. Внутреннее трение (вязкость) – вид трения, состоящий в том, что при взаимном перемещении слоёв жидкости или газа между ними возникают касательные силы, препятствующие такому перемещению [5]

Внешнее трение подразделяют на трение покоя (статическое трение) и кинематическое трение.

Трение покоя возникает между неподвижными твёрдыми телами, когда какое-либо из них пытаются сдвинуть с места.

Максимальная сила трения покоя Fтр. покоя max пропорциональна силе реакции опоры N: Fтр. покоя max = μпокояN, где μпокоя – коэффициент трения покоя. Значение коэффициента μпокоя зависит от материала и состояния трущихся поверхностей [4]. При движении тела в жидкости или газе сила трения покоя равна нулю.

Трение скольжения возникает при скольжении одного твёрдого тела по поверхности другого. Закон для трения скольжения имеет вид: Fтр. скольж. = μскольж.N, μскольж. – коэффициент трения скольжения. Значение μскольж. зависит от того, из каких веществ изготовлены трущиеся поверхности и от качества их обработки [4]. Причинами возникновения силы трения являются: шероховатости поверхностей соприкасающихся тел и притяжение молекул, взаимодействующих тел.

Трение качения возникает при качении твёрдых тел круглой формы по поверхности других твёрдых тел. Модуль силы трения качения Fтр. кач. определяется по законуFтр. кач. = (ккач.N): R, где ккач. – коэффициент трения качения, N – модуль силы реакции опоры, R – радиус катящегося тела [6].

При прочих равных условиях μпокоя > μскольж. > ккач., то есть наибольшим является трение покоя, а наименьшим – трение качения. Значение коэффициента трения для различных материалов можно найти в справочниках.

1.3 Трение в быту, природе и технике

В жизни человека, природе и технике трение имеет большое значение. В одних случаях трение может быть полезным и его стараются увеличить, в других случаях трение может быть вредным и тогда его стремятся уменьшить.

Без трения покоя ни люди, ни животные не могли бы ходить по земле, так как при ходьбе происходит отталкивание ногами от земли. Во время гололедицы трение между подошвой обуви и землёй мало, отталкиваться от земли очень трудно и ноги скользят.

Сила трения останавливает автомобиль при торможении, но без трения покоя он не смог бы и начать движение. Колёса вращаясь, проскальзывали бы, а автомобиль продолжал бы стоять на месте, буксовал. Чтобы увеличить трение, поверхность шин у автомобиля делают с ребристыми выступами. Зимой, когда дорога бывает особенно скользкая, её посыпают песком, очищают ото льда. Трение служит искусству. Так, без трения смычка о струны была бы невозможна игра на скрипке или виолончели. В результате трения истираются трущиеся поверхности, поэтому трение широко используется в процессах заточки инструментов, шлифовки и полировки поверхностей металлов, стекла, алмазов, дерева и других материалов.

Трение обеспечивает скрепление различных материалов, деталей инструментов, различных устройств, сооружений. За счет трения между нитями не расползаются ткани, удерживаются на рукоятках молотки, топоры, лопаты и другие инструменты. Болты с гайками, гвозди, шурупы, клинья, скрепляют части конструкций силой трения. Трение помогает человеку удерживать предметы в руках. В жизни многих растений трение так же играет положительную роль.

Мной проведено экспериментальное определение факторов, влияющих на величину силы трения скольжения и качения. Методика и результаты исследования представлены в главе 2.

Глава 2. Экспериментальное определение факторов, влияющих на величину силы трения скольжения

2.1 Методика проведения исследования

Работа по определению факторов, влияющих на величину силы трения скольжения, состояла из трёх этапов:

1 Этап. Подготовительный.

Подбор и изучение литературы по проблеме.

2 Этап. Практический.

Проведение эксперимента по определению факторов, влияющих на величину силы трения скольжения и качения.

3 Этап. Обобщающий.

Обобщение и анализ полученных результатов.

При проведении эксперимента нами использовалось оборудование, указанное в таблице 1.

Таблица 1

Оборудование, используемое в ходе исследования

№ п/п

Название приборов и материалов

Количество

 

Лабораторный динамометр

1

 

Машинка детская на колесах

1

 

Деревянный брусок с крючком

1

 

Набор грузов с двумя крючками

1

 

Резиновые коврики

3

 

Лист наждачной бумаги

1

 

Пластиковая поверхность

1

 

Фотоаппарат цифровой

1

В ходе исследования использовался такой метод как лабораторный эксперимент. Лабораторные исследования проводились на базе МОУ – СОШ ПОС. ЧАЙКОВСКОГО. В эксперименте изучалось влияние / не влияние силы давления, рода соприкасающихся поверхностей и площади соприкасающихся поверхностей на величину силы трения скольжения.

Использовалась следующая методика проведения эксперимента:

1. Изучение зависимости величины силы трения скольжения от силы давления.

1. Определялась цена деления шкалы лабораторного динамометра, и измерялся вес деревянного бруска с крючком.

2. С помощью динамометра измерялась сила трения скольжения бруска по поверхности.

3. На брусок помещались сначала один, затем два, затем три груза массой по 100 г (сила тяжести - 1 Н) и каждый раз определялась величина силы трения скольжения с помощью динамометра при равномерном перемещении бруска с грузами по поверхности.

2. Изучение зависимости величины силы трения скольжения

от рода соприкасающихся поверхностей.

1. По пластиковой поверхности стола равномерно перемещался деревянный брусок с тремя грузами.

2. С помощью динамометра измерялась сила трения скольжения, возникающая между пластиковой поверхностью стола и деревянной поверхностью бруска.

3. Пластиковая поверхность заменялась сначала поверхностью наждачной бумаги, затем резиновой поверхностью листа и каждый раз измерялась сила трения скольжения при равномерном перемещении по ним деревянного бруска с тремя грузами (рис. 1).

Рис. 1Изучение зависимости величины силы трения скольжения

от рода соприкасающихся поверхностей

3. Изучение зависимости величины силы трения качения от рода соприкасающихся поверхностей.

1.На пластиковую поверхность стола помещалась детская машинка. На неё помещались четыре груза по 100 грамм каждый.

2. При помощи динамометра машинку с грузами перемещали равномерно по поверхности стола.

3. Измерялась сила трения качения машинки по поверхности стола динамометром.

4. Пластиковая поверхность заменялась сначала поверхностью наждачной бумаги, затем резиновой поверхностью листа и каждый раз измерялась сила трения качения при равномерном перемещении по ним игрушечной машинки с четырьмя грузами (рис. 2).

5. Полученные результаты подвергались анализу.

Рис. 2 Изучение зависимости величины силы трения качения от рода соприкасающихся поверхностей

2.2 Результаты исследования

В ходе эксперимента были получены следующие результаты: величина силы трения скольжения прямо пропорциональна силе давления, зависит от рода соприкасающихся поверхностей (качества обработки поверхностей) и не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

Чем больше сила давления, тем больше величина силы трения скольжения (табл. 2, рис. 3), следовательно, сила трения скольжения прямо пропорциональна силе давления.

Таблица 2

Зависимость величины силы трения скольжения от силы давления

№ опыта

Сила давления, Н

Сила трения скольжения, Н

1

0,7

0,1

2

1,7

0,3

3

2,7

0,5

4

3,7

0,7

Графическая интерпретация зависимости величины силы трения скольжения от силы давления

 

Сила трения скольжения, Н

 

Сила давления, Н

Рис.3

Чем меньше шероховатостей имеют поверхности, тем меньшая сила трения скольжения, возникает между ними (табл. 3, рис. 4) и тем меньше коэффициент трения скольжения. Данные таблицы 3 свидетельствуют о том, что при движении дерева по пластику коэффициент трения наименьший, так как деревянная поверхность менее шероховата; при движении дерева по наждачной бумаге коэффициент трения наибольший, так как эта поверхность более шероховата.

Таблица 3

Зависимость величины силы трения скольжения

от рода соприкасающихся поверхностей

№ п/п

Название твёрдых поверхностей

№ измерения

Сила давления на опору Р, Н

Сила трения скольжения Fтр, Н

Коэффициент трения

μ = Fтр

Средний коэффициент трения

μ=(μ123)/3

1

дерево по резине

1

3,7

0,8

0,22

0,24

2

3,7

0,9

0,25

3

3,7

0,9

0,25

2

дерево по пластику

1

3,7

0,7

0,19

0,19

2

3,7

0,7

0,19

3

3,7

0,7

0,19

3

дерево по наждачной бумаге

1

3,7

1,1

0,3

0,29

2

3,7

1,1

0,3

3

3,7

1,0

0,27

З

Коэффициент трения

ависимость среднего коэффициента трения от рода соприкасающихся поверхностей

 

Твёрдые поверхности

Рис. 4

Величина силы трения не зависит от того, большая или меньшая площади поверхностей соприкасаются между собой (табл. 4, рис. 5).

Таблица 4

Зависимость величины силы трения скольжения

от площади соприкасающихся поверхностей

№ п/п

Название твёрдых поверхностей

Площадь поверхности

S = ab, см2

Сила давления на опору Р, Н

Сила трения скольжения Fтр, Н

1

Дерево по дереву

40

3,7

0,7

2

25

3,7

0,7

Графическая интерпретация зависимости величины силы трения скольжения от площади соприкасающихся поверхностей

 

Сила трения скольжения, Н

Площадь поверхности бруска, см2

Рис. 5

Таким образом, выдвинутая нами гипотеза исследования справедлива в том, что сила трения скольжения зависит от силы давления, рода соприкасающихся поверхностей и не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

Н е зависимость силы трения от площади соприкосновения с поверхностью.

Сила трения в обоих опытах равна 1,1 Н. (условие – поверхность одинаковая, масса бруска с грузами тоже).

Заключение

Анализ полученных литературных и экспериментальных данных позволяет заключить, что:

1. Сила трения – это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого, приложенная к движущемуся телу и направленная в сторону, противоположную движению.

2. Сила трения имеет электромагнитную природу.

3. Существует внешнее и внутреннее трение. Внешнее трение подразделяют на трение покоя (статическое) и кинематическое трение (трение скольжения и трение качения).

4. При движении тела внутри жидкости или газа на него со стороны жидкости или газа действуют силы, направленные навстречу движению, называемые сопротивлением среды.

5. В жизни человека, природе и технике трение имеет большое значение. В одних случаях трение может быть полезным и его стараются увеличить, в других случаях трение может быть вредным и тогда его стремятся уменьшить. Для увеличения силы трения: используются специальные материалы, увеличение нагрузки; для уменьшения силы трения используется шлифовка трущихся поверхностей, применение смазки, замена трения скольжения трением качения, уменьшение нагрузки, придание обтекаемой формы движущемуся телу.

6. Чем больше сила давления, тем больше величина силы трения скольжения, следовательно, сила трения скольжения прямо пропорциональна силе давления.

7. Чем меньше шероховатостей имеют поверхности, тем меньшая сила трения скольжения, возникает между ними и тем меньше коэффициент трения скольжения.

8. Величина силы трения не зависит от того, большая или меньшая площади поверхностей соприкасаются между собой.Таким образом,величина силы трения скольженияпрямо пропорциональна силе давления,зависит от рода соприкасающихся поверхностей (качества обработки поверхностей),не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

Работа в выбранном направлении может быть продолжена изучением факторов, влияющих на силу трения покоя и силу трения качения.

За ходом эксперимента следил мой младший брат, который любезно согласился предоставить мне свою машинку и дома объяснял папе, как его машинка легло передвигалась по парте, но с трудом ехала по другим поверхностям.

При выполнении работы мне была оказана следующая поддержка нашим учителем физики Шашловой Татьяной Александровной:

- помощь в подборе литературы;

- помощь в структурировании материала;

- помощь в предоставлении оборудования для проведения эксперимента.

Литература

1. Балашов М. М. О природе: Кн. для учащихся 7 кл. – М.: Просвещение, 1991. - 64 с.

2. Балашов М. М. Физика: Проб. учеб. для 9 кл. сред. шк.– М.: Просвещение, 1993. - 319 с.

3. Пёрышкин А. В. Физика. 7кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2001. – 192 с.

4. Физика: Механика: 9 кл.: Учеб. для углублённого изучения физики /М. М. Балашов, А. И. Гомонова, А. Б. Долицкий и др.; Под ред. Г. Я. Мякишева. – М.: Дрофа, 1996. – 496 с.

5. Элементарный учебник физики: Учеб. пособие. В 3 т. /Под ред. Г. С. Ландсберга: Т. I. Механика. Теплота, Молекулярная физика. – М.: Наука. Физматлит, 1995. - 608 с.

6. Энциклопедический словарь юного техника /Сост. Б.В.Зубков, С.В.Чумаков. - М.: Педагогика, 1987.- 464 с.

 

16

Просмотров работы: 266