Тертя. Коефіцієнт тертя ковзання.

Першим вченим, який вивчав закони тертя, був Леонардо да Вінчі.

Мета.

Навчальна. формувати знання про силу тертя, її природу, напрям дії, способи визначення та види; розкрити корисну та шкідливу роль тертя в природі, техніці та побуті.

Розвиваюча. Розвивати вміння спостерігати, проводити досліди, аналізувати фізичні явища, робити висновки на основі отриманої інформації.

Виховна. Виховувати в учнів пізнавальний інтерес, уважність.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Підручник.  Фізика 7 клас, Бар'яхтар В. Г. Довгий С. О., видавництво "Ранок"  
• Демонстрація. Залежність сили тертя спокою від прикладеної сили ( динамометр, дерев’яна лінійка, дерев’яний брусок з гачком)
• Демонстрація. Тертя кочення ( іграшковий автомобіль, дерев ‘яний циліндр з гачком, динамометр, дерев ‘яний брусок, олівці)
• Демонстрація. Рідке тертя (скляна посудина з водою, іграшковий кораблик, динамометр)
• Відео. Сила тертя (час показу 1:11 хв)

План

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.
2. Тертя. Коефіцієнт тертя ковзання.
3. Запитання до уроку.
4. Домашнє завдання.
5. Перевiр себе.
6. Для допитливих.

Хід уроку

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

2. Тертя. Коефіцієнт тертя ковзання.  

Міркуємо разом. Тертя — явище, яке супроводжує нас завжди і всюди. В одних випадках воно корисне, і його намагаються збільшити. В інших — шкідливе, і його намагаються зменшити. Тертя руйнує поверхні (зношування механізмів), дозволяє зрушити з місця та гальмувати. Від тертя залежить швидкість руху рідин в судинах рослин та живих істот. За рахунок тертя обертається колесо й добувають вогонь...    

Сила тертя. 

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

Сила тертя є проявом електромагнітної взаємодії між атомами. Діють сили тертя вздовж поверхонь тіл під час їх безпосереднього дотику.

Розрізняють декілька різновидів сил тертя: сила тертя спокою, сила тертя ковзання, сила тертя кочення, тертя в рідинах і газах. Строгої теорії сил тертя ще не створено.  

Сила тертя спокою. Покладемо масивний брус на горизонтальну поверхню стола і спробуємо зрушити з місця, діючи в будь-якому горизонтальному напрямі. Для вимірювання сили, з якою ми діємо на брусок, помістимо між рукою і бруском пружинний динамометр. Дослід показує, що брусок залишається в спокої навіть тоді, коли на нього діє певна сила. А це означає, що крім зовнішньої сили виникає сила, що протидіє рухові.

Сила тертя спокою виникає при спробі зрушити одне із стичних тіл відносно іншого. 

Спрямована сила тертя спокою вздовж стичних поверхонь так, що перешкоджає відносному рухові тіл. Під час збільшення сили брусок залишається в спокої доти, поки зовнішня сила  не досягає певного значення, при якому брусок почне рівномірно ковзати по поверхні стола. Таким чином, до виникнення ковзання сила тертя спокою може набувати будь-якого значення від 0 Н до певного максимального значення, яке дорівнює зовнішній силі, що спричиняє ковзання.

Демонстрація. Залежність сили тертя спокою від прикладеної сили ( динамометр, дерев’яна лінійка, дерев’яний брусок з гачком)

Якими б гладенькими не здавалися поверхні дотику, вони насправді завжди шорсткі: на них є горбики й западини, добре видимі під мікроскоп. Чим більша сила прагне привести тіло в рух, тим більша й деформація маленьких виступів на поверхні. Ось чому сила тертя спокою завжди дорівнює зовнішній силі. 

Силу тертя спокою, що дорівнює за модулем зовнішній силі, яка спричиняє ковзання даного тіла по поверхні іншого, називають максимальною силою тертя спокою.

Сила тертя спокою має винятково важливе значення в житті людини, в її практичній діяльності. Свого часу, коли не дуже добре розуміли здатність  сили тертя спокою набувати різних значень, висловлювали сумніви в тому, чи потяг зможе їхати по гладеньких рейках, тому пропонували навіть робити ведучі колеса зубчастими і прокладати для них спеціальні зубчасті рейки.

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

Сила тертя ковзання. 

Ковзання виникає лише тоді, коли зовнішня сила дорівнює, або перевищує за модулем максимальну силу тертя спокою. Ця особливість притаманна лише сухому тертю. Ви, мабуть, помічали, що масивний ящик важко зрушити з місця, а потім рухати його стає легше. Це пояснюється зменшенням сили тертя під час виникнення ковзання з малою швидкістю. Зменшення сили тертя ковзання при невеликих швидкостях можна пояснити  тим, що під час руху тіла наявні на його поверхні мікроскопічні виступи не встигають так глибоко западати в заглиблення поверхні другого тіла, як у спокої. Деформуються лише “верхівки” виступів, і тому сила пружного опору зменшується.

Лише згодом, у міру збільшення швидкості, вона зростає і перевищує максимальну силу тертя спокою. Для невеликих відносних швидкостей руху сила тертя ковзання майже не відрізняється від максимальної сили тертя спокою. Отже, при малих швидкостях цим фактором можна нехтувати.

Ще геніальний Леонардо да Вінчі в далекому 1500 році дуже цікавився тим, від чого залежить сила тертя і що вона собою являє? Перші дослідження тертя, про які ми знаємо, були проведені Леонардо да Вінчі приблизно в 1500 році. Дивні досліди, які він проводив, викликали чималий подив у його учнів, а чого ще можна було очікувати від людей, які бачать, як талановитий вчений тягає по підлозі мотузку, то розмотану у всю довжину, то щільно звиту. Ці та інші подібні експерименти дозволили йому трохи пізніше (в 1519 році) зробити висновок: сила тертя, яка з'являється при контакті одного тіла з поверхнею іншого, безпосередньо залежить від навантаження, не залежить від площі взаємодії і спрямована в протилежний від руху бік.

Минуло 180 років, і модель Леонардо була наново відкрита Г. Амонтоном, а в 1781 році Ш. О. Кулон у своїх роботах дав їй остаточне формулювання. Заслуга цих двох вчених у тому, що вони ввели таку фізичну константу, як коефіцієнт тертя, тим самим дозволивши вивести формулу, за якою можна вирахувати, чому дорівнює сила тертя для конкретно взятої пари взаємодіючих матеріалів.

Відео. Сила тертя (час показу 1:11 хв)

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 тертя ковзання відіграють зчеплення нерівностей і сили пружності, а при старанній обробці - взаємодія атомів та молекул під час дотику поверхонь.

Сила тертя кочення.

Сила тертя кочення — це сила, що виникає при перекочуванні одного тіла по поверхні іншого.

Виникає між елементами підшипників, між шиною колеса автомобіля і дорожнім полотном. Як правило, при малих швидкостях, зусилля тертя кочення набагато менші від зусиль тертя ковзання і тому, кочення є поширеним видом руху в техніці. 

Демонстрація. Тертя кочення (дерев‘яний циліндр, дерев‘яний брусок з гачком, олівці, динамометр)

Коли швидкість кочення досягає дуже великих значень, тертя кочення різко зростає і навіть може перевищити тертя ковзання за аналогічних умов.

Тертя в рідинах і газах (в’язке тертя, сила опору середовища). В кінці XIX століття з'явилися нові досягнення у вивченні в'язкості, і стало зрозуміло, як діє сила тертя в рідинах і газах.

Рідке тертя виникає при поступальному русі твердого тіла в рідині чи газі. 

Головна особливість рідкого тертя полягає в повній відсутності сили тертя спокою. Яка завгодно мала сила може привести в рух тіло відносно рідини чи газу. Наприклад, зусиллям рук можна привести в рух масивну баржу, тоді як зрушити з місця потяг чи навіть вагон зусиллям рук просто неможливо. Причина полягає в тому, що «труться» одна об одну фактично не шорсткі з западинами і виступами (звичайно, мікроскопічними) поверхні твердих тіл, зчепленням яких і визначається тертя спокою, а шари рідини чи газу.

Демонстрація. Рідке тертя (скляна посудина з водою, іграшковий кораблик, динамометр)

Сила опору середовища залежить від розмірів, форми і стану поверхні тіла, властивостей самої рідини чи газу, в яких рухається тіло, від відносної швидкості руху тіла й середовища. 

Відео. Види сили тертя (Час показу 4:22 хв)

Тертя в природі й техніці. У ХХ столітті дослідження в області тертя принесли так багато нової інформації, що її потрібно якось систематизувати. У результаті з'явилася ціла наука - трибологія - наука про тертя, зношування, змащування та контактну взаємодію поверхонь твердих тіл при їх відносному русі. 

Кінцівки тварин схожі на робочі інструменти, що використовуються людиною. У багатьох рослин та тварин є різні органи, що служать для хватання ( вусики у рослин, хобот у слона, хвости у повзаючих тварин). Всі вони мають шорстку поверхню для збільшення сили тертя.

Змії можуть ковзати по різних поверхнях, не порушуючи цілісності своєї шкіри, і цю особливість фахівці з Технологічного інституті Карлсруе використали для створення сталі зі структурованою поверхнею, що в деяких випадках дозволяє зменшити сили тертя і, як наслідок, знос  тертьових частин механізмів.

Попередні оцінки збільшення зносостійкості показують, що текстурування поверхні лускатими структурами дозволить кардинально збільшити термін служби механізмів, які працюють в складних умовах, в яких неможливо застосувати мастильні матеріали. До таких механізмів відносяться і приводи сучасних жорстких дисків і, цілком імовірно, що в майбутньому жорсткі диски наших комп'ютерів зможуть стати набагато надійніші і тихіші, отримавши деякі деталі, покриті структурою типу "зміїної шкіри".

У техніці сила тертя в багатьох випадках є причиною нагрівання поверхонь.  Пояснюється це 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. На практиці доводиться як зменшувати, так і збільшувати сили тертя між поверхнями тіл.

Щоб зменшити силу тертя: 

• покращують якість обробки стичних поверхонь;
• спеціально підбирають матеріали;
• використовують підшипники;

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

• змащують стичні поверхні мастилом;

У техніці для зменшення впливу сил сухого тертя між поверхнями вводять мастило - в'язку рідину, яка створює тонкий шар між твердими поверхнями. Вплив мастила полягає у тому, що між тертьові поверхні вводиться шар в'язкої рідини, яка заповнює всі нерівності поверхонь і, прилипаючи до них, утворює два тертьових шари рідини. В результаті тертя ковзання замінюється рідким тертям, яке набагато менше за тертя ковзання. Застосування мастил зменшує тертя в 8-10 разів.

• у випадку рідкого тертя - надають тілу обтічної форми.

При дуже великих швидкостях сухе тертя (тертя ковзання, тертя кочення)  переходить у в’язке, оскільки між поверхнями утворюється прошарок повітря.  В даний час широко застосовується такий спосіб зменшення тертя при русі транспортних засобів.

Повітряна подушка - це шар стиснутого повітря під транспортним засобом, який піднімає його над поверхнею води або землі. Шар стисненого повітря створюється вентиляторами. Відсутність тертя об поверхню дозволяє знизити опір руху. Від висоти підйому залежить здатність такого судна рухатися над різними перешкодами на суші або над хвилями на воді. Першим ідею подібної машини на повітряній подушці висловив К.Е. Ціолковський в 1927 році, в роботі «Опір повітря і швидкий поїзд».

Щоб збільшити силу тертя:

• на стичних поверхнях створюють рельєфні малюнки;

• збільшують вагу тіла;
• підбирають середовище з більшим коефіцієнтом тертя...

Блок-схема. Сили.

5. Запитання до уроку.

Запитання 42.1. Що таке сила тертя? Поясніть природу виникнення сил тертя.

Запитання 42.2.  Які є види тертя? Чому тертя може бути і корисним, і шкідливим?

Запитання 42.3. Коли виникає сила тертя спокою? Охарактеризуйте цю силу.

Запитання 42.4. Коли виникає сила тертя ковзання? Охарактеризуйте цю силу. Від чого залежить значення сили тертя ковзання?

Запитання 42.5. Як визначають коефіцієнт тертя ковзання? Вкажіть чинники від яких він залежить, а від яких - не залежить?

Запитання 42.6. Коли виникає сила тертя кочення? Охарактеризуйте цю силу.

Запитання 42.7. Коли виникає сила в’язкого тертя? Охарактеризуйте цю силу.

Запитання 42.8. Як на практиці збільшують чи зменшують силу тертя?

Запитання 42.9. Рибалка витягує на берег човен. Чому в міру того, як човен витягається рибалці потрібно все більших зусиль?

Запитання 42.10. Чому човни та кораблі не можуть розвинути таку велику швидкість, яку розвивають літаки?

Запитання 42.11. Як змії допомогли науковцям зменшити силу тертя в механізмах?

6. Домашнє завдання.

Підручник: §26 (ст. 73-76).

Усне опитування по запитаннях до уроку.  

7. Перевір себе.

8. Для допитливих.

Розширюємо кругозір. Цікаві факти про тертя. 

• Вогонь з кресала. Можна отримувати вогонь, завдаючи по твердому каменю удари якимось металевим предметом, наприклад, ножем. Такий пристрій з витягання вогню існував з давніх часів і пізніше став називатися «кресалом». Добування вогню кресалом теж супроводжується тертям!

Кресало - це пристосування для отримання вогню, що широко застосовувалося до появи сірників. Воно складається з кресала, «кременя» і трута. Сніп висікаються при ударі кременя про кресало іскор запалює труть.

Кресало (від слова «різати») являє собою смужку сталі з рискою, необхідної для відколювання від кременя дрібних частинок. При цьому температура підвищується до 900-1100 °С, і розігріті частинки спалахують. Це схоже на шліфування сталевого предмета на точильному камені, коли навколо утворюється багато іскор.

Згодом кресало перетворилося на коліщатко з рискою, яке знайшло своє застосування спочатку в вогнепальній зброї, а потім у запальничці.

• Сірники. Перші сірники були винайдені в 1830 році 19-річним французьким хіміком Шарлем Сориа. Це були фосфорні сірники. Ці сірники спалахували навіть від взаємного тертя в коробці і при терті об будь-яку тверду поверхню, наприклад, підошву чобота. Ці сірники не мали запаху, але були шкідливі для здоров'я, оскільки білий фосфор дуже отруйний.

У 1855 році шведський хімік Лундстрем почав використовувати для виробництва сірників не шкідливий червоний фосфор. Такі сірники легко запалюються об заздалегідь підготовлену поверхню і практично не самозаймаються. Перший «шведський сірник» Лундстрема дійшов практично до наших днів.

• Звук, народжений смичком. При рівномірному русі смичка скрипкова струна захоплюєть­ся ним і натягується. З натягом струни збільшується сила тертя спокою між смичком і струною. Коли сила тертя спокою досягає максимального значення, струна починає ковзати відносно смичка і набуває коливального руху... Так народжується звук.
• Кататися на ковзанах. Чому ковзани, з легкістю ковзаючи по поверхні льоду, не ков­зають по поверхні більш гладенького скла? При ковзанні ковзана по льоду виділяється тепло, і лід під ковзаном злегка підтаює, утво­рюючи змащення, що полегшує ковзання. Тому в сильний мороз ковзатися стає складніше — виділюваної енергії не достатньо для того, щоб розтопити лід, а отже створити необхідне змащення.