Польза силы трения в природе и технике
Трение – это сила, которая противостоит движению объекта. Чтобы остановить движущийся объект, сила должна действовать в направлении, противоположном направлению движения. Например, если толкнуть мяч, лежащий на полу, он будет двигаться. Сила толчка перемещает его на другое место. Постепенно мяч замедляется и перестает двигаться. Сила, которая противостоит движению объекта, называется трением. В природе и в технике существует огромное количество примеров применения этой силы.
Типы трения
Существуют различные типы трения:
- Лезвие конька, движущееся по льду, является примером скольжения. Когда фигурист двигается по катку, нижняя часть коньков касаются пола. Источником трения является контакт между поверхностью лезвия и льдом. Вес объекта и тип поверхности, по которой он перемещается, определяют величину скольжения (трения) между двумя объектами. Тяжелый предмет оказывает большее давление на поверхность, над которой он скользит, поэтому трение скольжения будет больше. Поскольку трение возникает из-за сил притяжения между поверхностями объектов, его количество зависит от материалов этих двух взаимодействующих объектов. Попробуйте кататься на коньках по гладкому озеру, и вам будет намного легче, чем кататься по грубой гравийной дороге!
- Трение покоя (сцепления) – сила, которая возникает между 2 контактирующими телами и препятствует появлению движения. Например, чтобы сдвинуть с места шкаф, забить гвоздь или завязать шнурки, нужно преодолеть силу сцепления. Подобных примеров трения в природе и технике существует масса.
- Когда вы катаетесь на велосипеде, контакт между колесом и дорогой является примером трения качения. Когда объект катится по поверхности, сила, необходимая для преодоления трения качения, намного меньше, чем требуется для преодоления скольжения.
Кинетическое трение
Когда вы толкнули книгу на столе и она переместилась на определенное расстояние, то она испытала трение, воздействующее на движущиеся объекты. Эта сила известна как сила кинетического трения. Она воздействует на одну поверхность другой, когда две поверхности натирают друг друга, потому что движутся одна или обе поверхности. Если вы положите дополнительные книги поверх первой книги, чтобы увеличить нормальную силу, сила кинетического трения будет увеличиваться.
Существует следующая формула: Fтрения= μFn. Сила кинетического трения равна произведению коэффициента кинетического трения и нормальной силы. Существует линейная зависимость между этими двумя силами. Коэффициент кинетического трения связывает силу трения с нормальной силой. Раз это сила, единицей для ее измерения является Ньютон.
Статическое трение
Представьте, что вы пытаетесь подтолкнуть диван по полу. Вы нажимаете на него с небольшой силой, но он не двигается. Статическая сила трения действует в ответ на усилие, с попыткой вызвать движение неподвижного объекта. Если на объект нет такой силы, сила статического трения равна нулю. Если есть сила, пытающаяся вызвать движение, то вторая будет увеличиваться до максимального значения до того, как она будет преодолена, и начнется движение.
Формула для этого вида: Fтрения= μsFn. Статическая сила трения меньше или равна произведению коэффициента статического трения μ (s) и нормальной силы F (n). В примере про диван максимальная сила статического трения уравновешивает силу человека, надавливающего на него, до момента, когда диван начнет двигаться.
Измерение коэффициентов трения
От чего зависит сила трения? В природе и технике материалы, из которых сделаны поверхности, играют определенную роль. Например, представьте, что вы пытаетесь играть в баскетбол, нося носки вместо спортивной обуви. Это может значительно ухудшить ваши шансы на победу. Обувь помогает обеспечить силу, необходимую для торможения и быстрого изменения направлений во время бега по поверхности. Между вашей обувью и баскетбольной площадкой трения больше, чем между вашими носками и полированным деревянным полом.
Различные коэффициенты показывают, как легко один объект может скользить по сравнению с другим. Точные их измерения достаточно чувствительны к условиям поверхностей и определяются экспериментально. Влажные поверхности ведут себя совершенно иначе, чем сухие поверхности.
Физика: сила трения природе и технике
Вы испытываете трение все время, и вы должны быть рады, что это возможно. Именно эта сила помогает сохранять неподвижные объекты на месте, а человеку не падать при ходьбе. Что такое трение? В природе и технике примеры можно встретить на каждом шагу. Вы можете этого не осознавать, но вы уже хорошо знакомы с этой силой. Оно происходит в направлении, противоположном движению, и из-за этого это сила, которая влияет на движение объектов.
Когда вы передвигаете коробку по полу, трение работает против коробки в направлении, противоположном движению коробки. Когда вы идете вниз по горе, трение работает против вашего движения вниз. Когда вы нажимаете на тормоз в машине и двигаетесь еще какое-то время, трение работает против вашего направления скольжения, что помогает в конечном итоге полностью остановить скольжение.
Когда два объекта “втираются” друг в друга, устанавливаются силы притяжения между молекулами объектов, вызывая трение. В природе и технике оно может происходить между практически любыми фазами материи – твердыми веществами, жидкостями и газами. Трение происходит между двумя объектами, такими как коробка и пол, но также может происходить между рыбой и водой, в которой они плавают, и предметами, падающими в воздухе. Трение из-за воздуха имеет особое название: сопротивление воздуха.
Роль трения в природе, технике, жизни
Трение является неотъемлемой частью человеческого опыта. Нам нужна тяга, чтобы ходить, стоять, работать и ездить. В то же время нам нужна энергия, чтобы преодолеть сопротивление движению, поэтому слишком много трения требует избыточной энергии для выполнения работы, что приводит к неэффективности. В 21 веке человечество столкнулось с двойной проблемой нехватки энергии и глобального потепления от сжигания ископаемого топлива. Таким образом, способность контролировать трение стала сегодня главным приоритетом в современном мире.Тем не менее у многих понимание фундаментальной природы трения все еще отсутствует.
Трение в природе и технике (физика) всегда было предметом любопытства. Интенсивное изучение происхождения этой силы началось в 16 веке, после новаторской работы Леонардо да Винчи. Однако прогресс в понимании его природы был медленным, что затруднялось отсутствием инструмента для точного измерения. Гениальные эксперименты, выполненные ученым Кулоном и другими, дали важную информацию, чтобы заложить основу для понимания. Начиная с конца 1800-х и начала 1900-х годов появились паровые двигатели, локомотивы, а затем самолеты. Также освоение космоса требует четкого понимания трения и способности контролировать его.
Значительный прогресс в том, как применять и контролировать трение в природе технике, в быту, был сделан путем проб и ошибок. В начале 21 века появилось новое измерение нано-масштабного трения в связи с использованием нано-технологий. Человеческое понимание атомного и молекулярного трения быстро расширяется. Сегодня энергоэффективность и производство возобновляемых источников энергии требуют непосредственного внимания, в то время как наука стремится к сокращению выбросов углерода. Способность контролировать трение становится важным шагом в поиске устойчивых технологий. Именно оно является показателем энергоэффективности. Если получится уменьшить ненужные потери энергии и увеличить текущую эффективность использования энергии, это даст время для разработки альтернативных источников энергии.
Примеры трения в жизни
Трение – это сила, которая носит резистивный характер. Она препятствует движению другого объекта, применяя некоторую силу. Но откуда генерируются эта сила? Во-первых, стоит начать рассматривать ее с молекулярного уровня. Трение, которое мы наблюдаем в повседневной жизни, может быть вызвано шероховатостью поверхности. Это то, что ученые считали долгое время основной причиной его появления.
Самыми простыми примерами трения в природе и технике являются следующие:
- При ходьбе сила трения, которая воздействует на подошву, дает нам возможность двигаться вперед.
- Прислоненная к стене лестница не падает на пол.
- Люди завязывают шнурки на кроссовках.
- Без силы трения машины не смогли бы ездить не только в гору, но и по ровной дороге.
- В природе оно помогает животным лазать по деревьям.
Подобных пунктов существует множество, есть также случаи, где эта сила, наоборот, может помешать. Например, для уменьшения трения у рыб выделяется специальная смазка, благодаря которой, а также обтекаемой форме тела они могут спокойно передвигаться в воде.
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.
Сила трения встречается буквально на каждом шагу. Но знают ли люди, зачем она нужна? В чем вред и польза силы трения? Попробуем разобраться.
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.
Что у нас под ногами?
С ней люди сталкиваются очень часто. Польза трения в том, что мы бы и шагу ступить не смогли, не будь этой физической величины. Именно она удерживает нашу обувь на той поверхности, куда мы ступаем. Каждый из нас ходил по очень скользким поверхностям, например, по льду, и не понаслышке знает, что это очень тяжело. Почему так происходит? Прежде чем рассказать о том, в чем вред и польза силы трения, определимся с тем, что это такое.
Суть понятия
Силой трения называется взаимодействие двух тел, возникающее в месте их соприкосновения и препятствующее их движению относительно друг друга. Различают несколько видов трения – покоя, скольжения и качения.
Причины возникновения
Первая из причин заключается в неизменной шероховатости поверхностей. Именно этот показатель влияет на то, какой вид силы трения будет иметь место. Если речь идет о гладких поверхностях, например, о покрытой металлом крыше или о ледяных участках, то их шероховатость почти не видна, однако это не значит, что ее нет – она присутствует на микроскопическом уровне. В этом случае будет действовать сила трения скольжения. Но если говорить о шкафе, стоящем на ковре, то здесь шероховатости двух объектов будут значительно препятствовать взаимному движению. Второй причиной является электромагнитное молекулярное отталкивание, которое происходит в месте контакта объектов.
Трение покоя
Что происходит в случае, когда мы пытаемся сдвинуть с места шкаф, однако нам не удается переместить его ни на сантиметр. Что удерживает предмет на одном месте? Это сила трения покоя. Дело в том, что приложенные усилия компенсируются силой сухого трения, возникающей между шкафом и полом.
Вред и польза силы трения покоя
Именно сила трения покоя не дает самостоятельно развязаться шнуркам на наших ботинках, выпасть гвоздю, который мы только что вбили в стену, удерживает на месте шкаф. Без нее было бы невозможно передвигаться по земной поверхности ни людям, ни животным, ни автомобилям. Вред трения также присутствует. Он бывает в довольно глобальных масштабах, например, сила трения покоя может привести к деформации обшивки кораблей.
Научное обоснование
Для того чтобы передвинуть шкаф, необходимо приложить к нему силу, которая превзойдет трение. То есть до тех пор, пока применяемые усилия меньше показателя силы трения, мебель останется на месте. Помимо указанных факторов, есть еще сила реакции опоры, которая направленна перпендикулярно плоскости. Она зависит от материала, из которого сделан пол (здесь задействована также сила упругости). Также существует коэффициент трения, зависящий от того, из чего состоят обе поверхности, взаимодействующие друг с другом. Поэтому сила трения, действующая на шкаф, равняется коэффициенту трения, который умножается на силу реакции опоры (поверхности).
Трение скольжения
Итак, чтобы пересилить трение, мы попросили кого-нибудь нам помочь сдвинуть шкаф с места. Что мы обнаружили? Что после того, как мы приложили силу, которая превысила силу трения покоя, шкаф не только сместился, но и некоторое время продолжал двигаться в необходимую сторону, разумеется, с нашей помощью. А потраченные усилия были примерно одинаковы в течение всего пути. В этом случае нам препятствовала сила трения скольжения, направленная в противоположную от приложенного воздействия сторону. Стоит заметить, что ее сопротивление гораздо ниже, нежели у силы трения покоя. Чтобы снизить этот показатель, при необходимости применяются различные смазочные материалы.
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.
Неоднозначный вопрос
В чем состоит вред и польза силы трения любого типа? Разумеется, приведенные примеры несколько утрированы – в жизни все немного сложнее. Однако несмотря на то, что сила трения имеет очевидные минусы, создающие ряд сложностей в жизни, ясно, что без нее проблем было бы гораздо больше. Поэтому у данной величины есть свои недостатки и преимущества.
Негативные примеры
Среди примеров вреда этой силы на одном из первых мест стоит проблема перемещения тяжеловесных грузов, быстрого изнашивания любимых вещей, а также невозможности создать вечный двигатель, поскольку из-за трения любое движение рано или поздно прекращается, требуя стороннего вмешательства.
Положительные моменты
Среди примеров полезности этой силы то, что мы можем спокойно ходить по земле, не поскальзываясь на каждом шагу, наша одежда прочно сидит и мгновенно не приходит в негодность, поскольку нити ткани удерживаются благодаря трению. Кроме того, люди используют принцип действия этой силы, посыпая скользкие дороги, из-за чего удается избежать множества аварий и травм.
Выводы
Человечество научилось взаимодействовать с данной физической величиной, увеличивая и уменьшая ее в зависимости от поставленных целей. Наша непосредственная задача – попытаться использовать ее максимально эффективно.