Когда сила трения полезна как ее увеличить
Ответ ДА! Но при условии, что это будет трение скольжения.
Уже вижу в ваших глазах недоумение: Как это шлифованием можно увеличить силу трения, да ещё трения скольжения? Ведь именно неровности являются причиной трения, а если их убрать – исчезнет причина. Раз нет причины, то отсутствует следствие! А смазку разве не для того мы применяем, чтобы сгладить неровности на поверхностях?
– Вынужден согласиться со всеми вашими аргументами, но …
– Какие ещё но? Всё и так ясно – выравнивание поверхности уменьшает трение, а не увеличивает его. Разве не так?
Не могу вам возразить, но остаюсь при своём мнении, и докажу что я прав.
Что такое трение?
Вы пробовали сдвинуть с места тяжёлый шкаф? Нужно приложить немало усилий для его перемещения даже по гладкому полу. Что же мешает движению шкафа?
Мешает сила, возникающая между поверхностями, которая всегда направлена против приложенной другой силы. Эта сила и есть трение. Для продвинутых физиков скажу: трение – это тангенциальное взаимодействие, возникающее между соприкасающимися поверхностями, при попытке осуществить их относительное перемещение.
В этом определении ключевое слово «взаимодействие». К нему мы ещё вернёмся. А пока выясним причину трения.
Даже гладкие поверхности имеют шероховатости, которые могут быть незаметными невооружённым глазом. Когда такие поверхности соприкасаются, то эти шероховатости входят в зацепление между собой и мешают движению.
Посмотрите на рисунок.
Если к неподвижному телу приложить какую-то силу, то сразу же возникнет сила трения, направленная в противоположную сторону. С увеличением приложенной силы увеличивается и сила трения. Но так продолжаться вечно не может. В какой-то момент тело, под действием силы начнёт движение, а сила трения сравняется по величине с приложенной силой.
Пока тело оставалось в покое, то сила трения изменялась пропорционально изменению внешней силы. Такое трение называют трением покоя.
Когда под действием внешней силы тело скользит по поверхности, то сила трения равна силе, обеспечивающей это скольжение. Такое трение называется трением скольжения.
На силу трения влияет несколько факторов:
· твёрдость поверхностей;
· уровень обработки поверхностей;
· сила давления (притяжения);
· тип соприкасающихся материалов.
Трение не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.
F = kN, где k (иногда μ) – коэффициент трения, который зависит от природы вещества и качества обработки поверхностей, а N – сила реакции опоры.
Самый низкий коэффициент трения при скольжении стали по льду, а самый высокий при скольжении резины по бетону. Именно поэтому конькобежцы так легко скользят на ледовой дорожке, а бетонные дороги делают движение автомобиля уверенным.
Существует ещё один вид трения – трение качения. Это случай, когда круглое тело не скользит, а катится по поверхности. Например, если мяч катится по футбольному полю, он рано или поздно остановится. Именно трение качения заставляет мяч остановиться. Вряд ли вам надо доказывать тот факт, что трение качения всегда меньше трения скольжения (при прочих равных условиях). Тяжёлый камень легче перекатить, чем протащить его, скольжением по поверхности земли.
Трение полезно или вредно?
На первый взгляд от трения никакой пользы нет. Оно только мешает нам. Лучше бы его не было?
Действительно, с трением ведут борьбу, особенно в технике. Везде, где можно трение скольжения заменяют меньшим злом – трением качения. Почти в каждом механизме можно встретить подшипники. Они в разы уменьшают трение. Там, где невозможно применить подшипники используют смазку, которая тоже уменьшает силу трения. Чтобы уменьшить силу трения транспортные средства ставят на колёса.
Стоп! А для чего шины делают с протектором? Ведь колесо для того и придумано, чтобы уменьшить силу трения, а тут вдруг протектор, который трение увеличивает! Парадокс?
Нет никакого парадокса. Без трения движение транспорта, как впрочем, и пешим способом, было бы невозможно! Чтобы начать движение необходимо оттолкнуться от земли. Чтобы остановиться также необходимо трение. А как бы вы это делали без трения? Вспомните, как сложно передвигаться в гололёд. Это притом, что на подошвах обуви также есть протектор.
Выходит что трение в одних случаях полезно, а в других – вредно.
Способы борьбы с трением
С одним из способов мы уже познакомились – это замена трения скольжения трением качения. Другой способ – введение смазки между поверхностями. Смазочный материал заполняет неровности и таким образом уменьшает силу трения. В качестве смазки можно даже использовать воду, но у неё есть существенный недостаток – вода быстро испаряется. Поэтому различные масла для этого подходят лучше.
Третий способ – выравнивание поверхностей. Чем меньше шероховатостей, тем слабее сила трения. Но в этом случае главное не переусердствовать – идеальное шлифование не уменьшит, а увеличит силу трения!
Почему между идеально отшлифованными поверхностями сила трения увеличивается?
Вы когда-нибудь разбирали картридж крана для воды? При случае изучит его. В нём есть две керамические пластины, перекрывающие поток воды. Эта керамика настолько отшлифована, что между пластинами не проникают молекулы воды. Они притягиваются как магниты. Но ведь мы знаем, что у керамики нет магнитных свойств. Почему же действует притяжение?
Дело в том, что на близких расстояниях проявляются силы притяжения атомов вещества. Самое время вспомнить ключевое слово «взаимодействие», которое присутствует в определении силы трения. Это взаимодействие как раз и увеличивает трение скольжения идеально гладких поверхностей. То есть, путём шлифования, на каком-то этапе можно увеличить силу трения, о чём я утверждал в начале статьи.
Источник
Вы никогда не задумывались, почему ваши руки становятся теплыми, когда вы трете их друг о друга, или почему трением двух деревяшек можно добыть огонь? Ответ – трение! Когда два тела перемещаются относительно друг друга, появляется сила трения, препятствующая такому перемещению. Трение может вызвать высвобождение энергии в виде тепла, согревая руки, высекая огонь и так далее.[1] Чем больше трение, тем больше энергии высвобождается, поэтому, увеличив трение между движущимися частями в механической системе, вы получите немало тепла!
Поверхности трущихся тел
1
Когда два тела перемещаются относительно друг друга, могут возникнуть следующие три процесса: неровности на поверхности тел мешают движению тел относительно друг друга; одна или обе поверхности тел могут деформироваться в результате такого перемещения; атомы каждой поверхности могут взаимодействовать друг с другом.[2] Все перечисленные процессы участвуют в возникновении трения. Поэтому для увеличения трения выберите тела с абразивной поверхностью (например, наждачная бумага), с деформируемой поверхностью (например, резиновой) или с поверхностью, имеющей адгезивные свойства (например, липкую).
- Для получения большей информации о выборе материалов для увеличения трения посмотрите учебники или онлайн ресурсы. Для распространенных материалов можно найти их коэффициенты трения (количественная характеристика силы, необходимой для скольжения или движения одного материала по поверхности другого). Коэффициенты трения некоторых материалов перечислены ниже (чем выше коэффициент, тем больше трение):[3]
- Алюминий по алюминию: 0,34
- Дерево по дереву: 0,129
- Сухой бетон по резине: 0,6-0,85
- Влажный бетон на резине: 0,45-0,75
- Лед по льду: 0,01
2
Сильнее прижмите тела друг к другу, чтобы увеличить трение, так как сила трения пропорциональна силе, действующей на трущееся тела (силе, направленной перпендикулярно направлению перемещения тел относительно друг друга).[4]
- Вспомните дисковые тормоза в автомобиле. Чем сильнее вы давите на педаль тормоза, тем сильнее тормозные колодки прижимаются к ободу колеса, тем сильнее становится трение и тем быстрее автомобиль останавливается. Но чем сильнее трение, тем больше высвобождаемого тепла, поэтому при резком торможении тормозные колодки сильно нагреваются.[5]
3
Если одно тело находится в движении, остановите его. До сих пор мы рассматривали трение скольжения, возникающее при перемещении тел относительно друг друга. Трение скольжения намного меньше трения покоя, то есть силы, которую необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение. Поэтому труднее сдвинуть с места тяжелый предмет, чем управлять им, когда он уже движется.[6]
- Проведите простой эксперимент, чтобы понять разницу между трением скольжения и трением покоя. Поставьте стул на гладкий пол (не на ковер). Убедитесь, что на ножках стула нет резиновых или других накладок, препятствующих его скольжению. Толкните стул, чтобы передвинуть его. Вы заметите, что как только стул пришел в движение, вам стало легче толкать его, потому что трение скольжения между стулом и полом меньше трения покоя.
4
Избавьтесь от смазки между двумя поверхностями, чтобы увеличить трение. Смазочные материалы (масла, вазелин и так далее) значительно уменьшают силу трения между трущимися телами, потому что коэффициент трения между твердыми телами значительно выше коэффициента трения между твердым телом и жидкостью.
- Проведите простой эксперимент. Потрите сухие руки друг о друга, и вы заметите, что их температура повысилась (они согрелись). Теперь намочите руки и потрите их еще раз. Теперь вам не только легче тереть руки друг о друга, но и нагреваются они меньше (или медленнее).
5
Избавьтесь от подшипников, колес и других катящихся тел, чтобы избавиться от трения качения и получить трение скольжения, которое намного больше первого (поэтому катить одно тело относительно другого проще, чем толкать/тянуть его).[7]
- Например, представьте, что вы положили тела одинаковой массы в сани и на колесную тележку. Тележку с колесами намного легче передвигать (трение качения), чем сани (трение скольжения).
6
Увеличьте вязкость жидкости, чтобы увеличить силу трения. Трение имеет место не только при перемещении твердых тел, но и в жидкостях и газах (вода и воздух, соответственно). Трение между жидкостью и твердым телом зависит от нескольких факторов, например, вязкости жидкости – чем больше вязкость жидкости, тем больше сила трения.
- Например, представьте, что вы пьете воду и мед через соломинку. Вода, имеющая малую вязкость, легко пройдет сквозь соломинку, а вот мед, у которого большая вязкость, пройдет сквозь соломинку с трудом (так как мед сильнее трется о стенки соломинки).[8]
Лобовое сопротивление
1
Увеличьте площадь поверхности тела. Как отмечалось выше, при движении твердых тел в жидкостях и газах также возникает сила трения. Сила, препятствующая движению тел в жидкостях и газах, называется лобовым сопротивлением (иногда его называют сопротивлением воздуха или сопротивлением воды). Лобовое сопротивление больше при увеличении площади поверхности тела, которая направлена перпендикулярно направлению движения тела сквозь жидкость или газ.
- Например, возьмите дробинку массой 1 г и лист бумаги той же массы и одновременно отпустите их. Дробинка сразу же упадет на пол, а лист бумаги будет медленно опускаться вниз. Тут как раз виден принцип лобового сопротивления – площадь поверхности бумаги намного больше, чем у дробинки, поэтому сопротивление воздуха больше и бумага падает на пол медленнее.
2
Используйте форму тела с большим коэффициентом лобового сопротивления. По площади поверхности тела, направленной перпендикулярно движению, можно судить о лобовом сопротивлении только в общих чертах. Тела различной формы взаимодействуют с жидкостями и газами по-разному (при движении тел сквозь газ или жидкость). Например, круглая плоская пластина имеет большее лобовое сопротивление, чем круглая шарообразная пластина.[9] Величина, характеризующая лобовое сопротивление тел различной формы, называется коэффициентом лобового сопротивления.
- Для примера рассмотрим крыло самолета. Форма крыла самолета называется аэродинамическим профилем. Это гладкая, узкая и округлая форма с малым коэффициентом лобового сопротивления (около 0,45). С другой стороны, представьте себе, что крыло самолета имеет форму квадратной прямоугольной призмы. У таких крыльев лобовое сопротивление было бы огромным (это правда, так как коэффициент лобового сопротивления квадратной прямоугольной призмы равен 1,14).[10]
3
Используйте тела менее обтекаемой формы. Как правило, большие тела кубической формы имеют высокое лобовое сопротивление. Такие тела имеют прямоугольные углы и не сужаются к концу. С другой стороны, тела обтекаемой формы имеют закругленные края и обычно сужаются к концу.
- Например, сравните современный автомобиль и автомобиль, произведенный несколько десятилетий назад. Старые автомобили имели квадратные очертания, а в облике современных автомобилей множество плавных кривых. Поэтому современные автомобили имеют меньшее лобовое сопротивление и для них нужен двигатель меньшей мощности (что влечет экономию топлива).[11]
4
Используйте тела без сквозных отверстий. Любое сквозное отверстие в теле уменьшает лобовое сопротивление, так как позволяет воздуху или воде течь сквозь такое отверстие (благодаря отверстиям уменьшается площадь поверхности тела, перпендикулярная движению). Чем больше сквозные отверстия, тем меньше лобовое сопротивление. Вот почему парашюты, которые предназначены для создания большого лобового сопротивления (чтобы замедлить скорость падения), сделаны из прочного, легкого шелка или нейлона, а не из марли.
- Например, вы сможете увеличить скорость движения ракетки для пинг-понга, если просверлите в ней несколько отверстий (чтобы уменьшить площадь поверхности ракетки и соответственно уменьшить лобовое сопротивление).
5
Увеличьте скорость тела, чтобы повысить лобовое сопротивление (это верно для тел любой формы и сделанных из любого материала). Чем выше скорость объекта, тем сквозь больший объем жидкости или газа оно должно пройти и тем больше лобовое сопротивление. Тела, движущиеся на очень высоких скоростях, испытывают огромное лобовое сопротивление, поэтому они должны быть обтекаемыми; в противном случае сила сопротивления разрушит их.
- Например, рассмотрим Lockheed SR-71 – экспериментальный самолет-разведчик, построенный во времена холодной войны. Этот самолет мог летать с высокой скоростью М = 3,2 и, несмотря на его обтекаемую форму, испытывал огромное лобовое сопротивление (такое большое, что металл, из которого был сделан фюзеляж самолета, расширялся при нагревании, возникающем при трении).
Советы
- Не забывайте, что при трении высвобождается много энергии в виде тепла. Например, не прикасайтесь к тормозным колодкам автомобиля непосредственно после торможения!
- Имейте в виду, что высокие силы сопротивления могут привести к разрушению тела, движущегося в жидкости. Например, если во время прогулки на катере вы положите в воду кусок фанеры (так, чтобы ее поверхность была направлена перпендикулярно движению катера), то, скорее всего, фанера сломается.
Об этой статье
Эту страницу просматривали 13 829 раз.
Была ли эта статья полезной?
Источник
Содержание:
- § 1 От чего возникает сила трения и что это такое?
- § 2 Виды трения
- § 3 Значение трения в жизни человека
§ 1 От чего возникает сила трения и что это такое?
Каждый из нас катался на санках или на лыжах, а кто задавал себе вопрос: «Почему я как бы сильно не оттолкнулся, все равно рано или поздно остановлюсь»?
Представьте такую картинку – учебник, лежит на парте. Если его толкнуть, то есть приложить к нему силу, то он изменит скорость с нулевого значения до какого-то определенного. Однако через некоторое время учебник остановится.
Мы уже знаем, что изменение скорости тела есть результат приложения силы. Какая же сила подействовала в этом случае?
Остановиться учебнику помогла сила трения. Сила трения возникает при движении одних тел по поверхности других, и когда тело пытаются сдвинуть с места.
От чего возникает сила трения?
Для ответа на этот вопрос можно проделать простейший эксперимент. Попробуем провести линию простым карандашом сначала на бумаге, а затем на стекле. На бумаге у нас это сделать получится, а на стекле нет. Это происходит потому, что поверхность бумаги и грифеля карандаша имеет неровности, если посмотреть на них под микроскопом. Частицы грифеля как бы зацепляются за шероховатости бумаги и остаются там. Поверхность же стекла гладкая и мы такого не наблюдаем.
Отсюда можно сделать вывод о том, что величина силы трения зависит от наличия шероховатостей соприкасающихся поверхностей.
А исчезнет ли сила трения в том случае, когда обе поверхности будут гладко отшлифованы? Для ответа на этот вопрос можно провести следующий эксперимент: с поверхности воды попытаемся оторвать стекло или зеркало. Это сделать достаточно сложно. В этом случае сила трения возникать тоже будет, но причина ее существования другая – взаимное притяжение молекул соприкасающихся поверхностей. И в последнем примере величина силы трения будет в разы больше.
Помимо величины сила должна иметь направление. Сила трения всегда направлена в противоположную движению тела сторону.
§ 2 Виды трения
Трение бывает трех видов:
1. Трение покоя. Все тела покоятся на месте только благодаря трению покоя. В противном случае все бы падало.
2. Трение скольжения. Примером данного вида трения может служить катание с горы на санках.
3. Трение качения. Примером может быть движение и остановка автомобиля.
Из всех трех видов наибольшей величиной обладает трение покоя, а наименьшей – трение качения. Катить легче, чем волочить. Именно поэтому во всех инженерных сооружениях и технике, где это возможно, скольжение заменяют на качение.
Так для постройки памятника Петру I в Санкт-Петербурге, громадную каменную глыбу весом около 1000 тонн доставили в город на катках, поскольку дотащить волоком постамент для памятника основателю города, было бы невозможно.
Величину силы трения можно измерить динамометром, а измеряется она в Ньютонах.
§ 3 Значение трения в жизни человека
С точки зрения пользы для человека трение может быть вредным и полезным. К примеру, когда начинает скрипеть и плохо открываться дверь трение считается вредным. Полезным можно назвать то трение, при котором велосипедист может остановиться на светофоре. Если бы его не было, то он продолжал бы неконтролируемое движение. В некоторых случаях для того, чтобы уменьшить трение применяют различные смазочные материалы. Ни один подшипник без технического масла работать не сможет.
Таким образом, трение имеет крайне важное значение в нашей жизни. Трение не только позволяет контролировать движение, оно способствует также и устойчивости тел.
Не будь его, все будет катиться, и скользить, пока не окажется на одном уровне. Гвозди и винты выскользнут из стен, ткани расползутся, ни одну пуговицу невозможно будет пришить, нитки просто не будут держаться ни в иглах, ни в тканях.
Без трения покоя мы бы не могли ни ходить, не ездить. Вспомните, как трудно передвигаться в гололед. Причиной возникновения силы трения может быть либо наличие шероховатостей на соприкасающихся поверхностях, либо взаимное притяжение молекул взаимодействующих тел. Сила трения измеряется в Ньютонах и направлена в противоположную движения тела сторону.
Список использованной литературы:
- Физика. Химия. 5-6 классы. Гуревич А.Е., Исаев Д.А., Понтак Л.С. – М.: Дрофа, 2011.
- Физика. 7 класс: Учебник для общеобразоват.учреждений/А.В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2006.
- Физика. 8 класс: Учебник для общеобразоват.учреждений/А.В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2010.
- Занимательная физика. Я. Перельман
- Физика. 7 класс. Учебник. Гуревич А. Е.
Источник