Сила тертя

Поки є тертя, доти є життя. (Народна мудрість)

Мета.

Навчальна. Пригадати що таке сила тертя, умови виникнення, різновиди сил тертя. Від яких факторів залежить, а від яких не залежить, коефіцієнт тертя. З’ясувати природу сили тертя.

Розвиваюча. Розвивати логічне та практичне мислення, фізичну компетентність.

Виховна. Виховувати культуру наукового мислення та оформлення розрахункових задач .

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Фізика: 10 кл.: підруч. для загальноосвіт. навч. закл.: рівень стандарту/ Є. В. Коршак, О. І. Ляшенко, В. Ф. Савченко. - К.: Генеза, 2010.-192с.:іл. <<Завантажити>><<Читать онлайн>>

План

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.
2. Сила тертя.
3. Запитання до уроку.
4. Домашнє завдання.
5. Перевір себе.
6. Для допитливих.

Хід уроку

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

Самостійна робота. Сила пружності. Вага. Невагомість.

2. Сила тертя.

Сила тертя. Сила тертя — це сила, яка виникає під час руху одного тіла по поверхні іншого і перешкоджає цьому руху.

Зовнішнім тертям називають тертя, яке виникає при дотику двох тіл чи їх відносному переміщенню. Діють зовнішні сили тертя вздовж поверхонь тіл під час їх безпосереднього дотику.

Внутрішнім тертям називають тертя між частинками одного і того ж тіла, наприклад, між різними шарами рідини або газу.

Причиною виникнення сили тертя є взаємодія електричних зарядів частинок  атомів та молекул під час дотику поверхонь.

Розрізняють декілька різновидів сил тертя: сила тертя спокою, сила тертя ковзання, сила тертя кочення, сила опору середовища (в’язке тертя).

Сила тертя спокою. Сила тертя спокою виникає при спробі зрушити одне зі стичних  тіл відносно іншого. Спрямована вздовж стичних поверхонь так, що перешкоджає відносному рухові тіл.

У стані спокою модуль сили тертя спокою дорівнює , де - проекція на вісь  сили, що прагне вивести тіло зі стану спокою.

Модуль сили тертя спокою змінюється в межах від 0 до максимального значення сили тертя спокою, де .

Сила тертя спокою є рушійною і гальмівною силою для всіх наземних колісних видів транспотру, забезпечує можливість ходіння по землі.

Сила тертя ковзання. Сила тертя ковзання спрямована вздовж стичних поверхонь проти напряму руху тіла. Французькі фізики Г. Амонт (1663-1705) і Ш. Кулон (1736-1806) дослідним шляхом встановили що модуль сили тертя ковзання дорівнює , де - коефіцієнт тертя ковзання, що залежить від роду речовини, якості обробки поверхонь, наявності мастила.

Сила тертя кочення. Тертя кочення виникає при коченні одного тіла по поверхні іншого.

Модуль сили тертя кочення дорівнює відношенню добутку коефіцієнта тертя кочення k, модуля сили нормальної реакції опори N до радіуса R тіла, що котиться:

Для більшості поверхонь сила тертя кочення менша за силу тертя ковзання. Тому широко практикується заміна тертя ковзання тертям кочення (кулькові та роликові підшипники):

При дуже великих швидкостях сухе тертя переходить у в’язке, оскільки між поверхнями утворюється прошарок повітря.

В’язке тертя. В'язке тертя виникає при русі твердого тіла у рідині або газі. Сила опору спрямована проти руху тіла і залежить від форми та розмірів тіл, від швидкості руху тіла відносно середовища. Для в’язкого тертя сила тертя спокою відсутня (рівна 0). При малих швидкостях , при великих  швидкостях , де - швидкість тіла, - коефіцієнт опору середовища.

Фактори, які впливають на значення сил тертя :

• Сила нормального тиску на поверхню зіткнення (реакції опори). При невеликих швидкостях руху стичних поверхонь сила тертя ковзання мало відрізняється від максимальної сили тертя спокою. Обидві ці сили пропорційні до сили нормального тиску, тобто до сили, яка перпендикулярна до поверхні дотику тіл і притискає тертьові поверхні одну до одної: Fтер=N, де - коефіцієнт тертя, N - сила реакції опори. Якщо поверхня ковзання горизонтальна і зовнішя сила прикладена теж горизонтально, то сила тиску на неї рівна вазі тіла: N=P Fтер=. Якщо поверхня ковзання знаходиться під кутом   до горизонту: , а тер=.
• Якість обробки стичних поверхонь. Чим краща обробка поверхні - тим, менші сила тертя спокою та сила тертя ковзання. Проте, дослід показує, що в ідеальному випадку дзеркальних поверхонь дотичних тіл, в результаті взаємодії електричних зарядів частинок, відбувається прилипання, яке може виявитися таким міцним, як зварювання. Таким чином, можна сказати, що для грубо обробленої поверхні основну роль у виникненні сили тертя спокою (і ковзання) відіграють зчеплення нерівностей і сили пружності, а при старанній обробці - молекулярне (атомне) зчеплення.
• Фізична природа стичних поверхонь. Для однієї й тієї самої сили нормального тиску максимальна сила тертя спокою та сила тертя ковзання залежать від роду матеріалу з якого виготовлено стичні поверхні.
• Відносна швидкість стичних поверхонь.Сила тертя ковзання залежить від відносної швидкості стичних поверхонь.

Фактори, які не впливають на значення сил тертя:

• Досліди показують, що модуль максимальної сили тертя ковзання не залежить від напрямку прикладеної сили.
• Для однієї й тієї самої сили нормального тиску максимальна сила тертя спокою не залежить від площі стичних поверхонь.

Коефіцієнт тертя ковзання. Коефіцієнт тертя козання характеризує обидві тертьові поверхні і визначається експериментально:=Fтер/, є безвимірною величиною.

Коефіцієнт тертя  залежить від:

• фізичної природи тіл, які дотикаються;
• якості обробки стичних поверхонь;
• відносної швидкості стичних поверхонь.

Як змінити силу тертя? Ні для кого не секрет, що під час тертя тіла нагріваються. Нагрівання тертьових поверхонь пояснюється тим, що під час зривання зачеплень виступи певний час коливаються, перетворюючи у внутрішню енергію набуту енергію пружної деформації. Цей та інші фактори спонукають до пошуку способів зміни сили тертя.  Щоб зменшити силу тертя використовують:

• підшипники,
• змащують стичні поверхні мастилом,
• покращують якість обробки стичних поверхонь,
• спеціально підбирають матеріали,
• у випадку рідкого тертя - надають тілу обтічної форми.

Щоб збільшити силу тертя:

• на стичних поверхнях створюють рельєфні малюнки,
• збільшують вагу тіла,
• збільшують відносну швидкість руху,
• підбирають середовище з більшим коефіцієнтом тертя…

Строгої теорії сил тертя спокою, як і сил сухого тертя, ще не створено. В мікроскопічному світі сили тертя немає. Сила тертя виникає лише в макроскопічних системах.

3. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 27.1. Брусок, навантажений тягарцями, рівномірно тягли по горизонтальній рейці (див. фотографію 1). Потім цей брусок разом із тягарцями зважили (див. фотографію 2). Визначте за результатами вимірювань коефіцієнт тертя між бруском і рейкою.

4. Запитання до уроку.

Запитання 27.1. Як виникає зовнішнє тертя? внутрішнє тертя? Як діють сили тертя? Що є причиною виникнення сил тертя?

Запитання 27.2. Як виникає сила тертя спокою, куди вона спрямована, як змінюється?

Запитання 27.3. Як спрямована сила тертя ковзання, як визначається та від чого залежить?

Запитання 27.4. Коли виникає сила тертя кочення? Порівняйте її з силою тертя ковзання.

Запитання 27.5. Коли виникає рідке тертя, куди спрямована сила? Від чого залежить сила рідкого тертя, як визначається?

Запитання 27.6. Перелічіть фактори, які впливають та не впливають на значення сил тертя.

Запитання 27.7. Що характеризує коефіцієнт тертя? Від чого він залежить?

Запитання 27.8. Як можна зменшити (збільшити) силу тертя?

Запитання 27.9. Чи завжди сила тертя заважає рухові? Відповідь обґрунтуйте.

5. Домашнє завдання.

Підручник: параграф 13.

Усне опитування по запитаннях до уроку.

6. Перевір себе.

Вправа 27.1. Фактори, які впливають на силу тертя.

7. Для допитливих.

Розширюємо кругозір. Формула Стокса для в’язких рідин. У 1851 році британський математик і фізик ірландського походження Джордж Габріель Стокс  вивів формулу для сили опору F, яка діє на тверду кулю при її повільному рівномірному русі у необмеженій в'язкій рідині. Ця формула має вигляд:

Експериментальні задачі:

Задача Е.27.1. Помістіть на лінійку невеликий предмет гумку, монету). Поступово підіймайте кінець лінійки доти, поки предмет не почне ковзати. Виміряйте висоту  і основу  набутої похилої площини й обчисліть коефіцієнт тертя.

Задача Е.27.2. Як за допомогою лінійки, паперу, дерев’яної прищіпки та скотчу, визначити коефіцієнт тертя паперу по дереву. Опишіть послідовність дій та вимірювань при проведенні експерименту.