Ковзання і кочення
Тертя стає головною проблемою при транспортуванні вантажів. Первісні люди пересували тяжкості за допомогою волокуш. Волокуша ковзала по землі, але сила тертя залишалося значною.
Пізніше люди виявили, що великі вантажі, наприклад кам’яні брили, легше пересувати на круглих ковзанках роликах. Ролики котилися і тертя зменшувалася, оскільки вантаж більше не ковзав по землі. З винаходом колеса, посадженого на вісь, стало ясно, що сила тертя в багато разів менше сили ковзання.
Читайте також: Тефлонове покриття на посуді — шкода чи користь для організму?
Тертя між металевими полозами саней для бобслею і льодом дуже маленьке, оскільки через тиск металу лід в місці зіткнення тане і утворюється шар води, радіючи роль мастила.
Причини виникнення
Перша з причин полягає в незмінною шорсткості поверхонь. Саме цей показник впливає на те, який вид сили тертя матиме місце. Якщо мова йде про гладких поверхнях, наприклад, про покритою металом даху або про крижаних ділянках, то їх шорсткість майже не видно, однак це не означає, що її немає — вона присутня на мікроскопічному рівні. У цьому випадку буде діяти сила тертя ковзання. Але якщо говорити про шафу, що стоїть на килимі, то тут шорсткості двох об’єктів будуть значно перешкоджати взаємною руху. Другою причиною є електромагнітне молекулярне відштовхування, яке відбувається в місці контакту об’єктів.
Передмова
На земні об’єкти діє кілька сил, які тісно взаємопов’язані між собою і впливають на життєдіяльність тел. Перш за все, це сила тяжіння, пружності (внутрішній опір тел у відповідь на зміщення їх молекул) і реакції опори. Але є ще вона дуже важлива фізична величина, яка називається силою тертя.
Вона на відміну від сили тяжіння і пружності не залежить від розташування тіл. При її вивченні діють інші закони: коефіцієнт тертя ковзання і сила реакції опори. Наприклад, якщо знадобиться зрушити великоваговий шафа, то з першої ж хвилини стане зрозуміло, що зробити це непросто. Крім того, при виконанні даного завдання присутні певні перешкоди.
Доповідь з фізики на тему «Сила тертя»
Доповідь з фізики
на тему : «Сила тертя»
З тертям ми стикаємося на кожному кроці. Вірніше було б сказати, що без тертя ми й кроку ступити не можемо. Але незважаючи на ту велику роль, яку відіграє тертя в нашому житті, до сих пір не створена досить повна картина виникнення тертя. Це пов’язано навіть не з тим, що тертя має складну природу, а швидше з тим, що досліди з тертям дуже чутливі до обробки поверхні і тому важко відтворювані.
Коли говорять про терті, розрізняють три кілька відмінних фізичних явища : опір при русі тіла в рідині або газі — його називають рідким тертям. опір, що виникає, коли тіло ковзає по якій-небудь поверхні, — тертя ковзання, або сухе тертя. опір, що виникає при коченні тіла, — тертя кочення.
Руху тіла зазвичай перешкоджають сили тертя. Якщо стикаються поверхні твердих тіл, їх відносного руху заважають сили сухого тертя. Характерною особливістю сухого тертя є існування зони застою. Тіло не можна зрушити з місця, поки абсолютна величина зовнішньої сили не перевищить певного значення. До цього моменту між поверхнями дотичних тіл діє сила тертя спокою, яка врівноважує зовнішню силу і зростає разом з нею. Максимальне значення сили тертя спокою визначається формулою
| |тр max | = Μ | N |
де - коефіцієнт тертя, що залежить від властивостей дотичних поверхонь.
N — сила нормального тиску.
Коли абсолютна величина зовнішньої сили перевищує значення | |тр max |, виникає відносне рух — прослизання. Сила тертя ковзання зазвичай слабко залежить від швидкості відносного руху, і при малих швидкостях її можна вважати рівною | |тр max |.
Руху тіла в рідині і газі перешкоджає сила рідкого тертя. Головна відмінність рідкого тертя від сухого — відсутність зони застою. У рідині або газі не виникає сили тертя спокою, і тому навіть мала зовнішня сила здатна викликати рух тіла.
Читайте також: Як харчування впливає на фізичне і психологічне здоров’я людини
Перші дослідження тертя, про які ми знаємо, були проведені Леонардо да Вінчі приблизно 500 років тому. Він вимірював силу тертя, що діє на дерев’яні параллепіпед, що ковзають по дошці, причому, ставлячи бруски на різні грані, визначав залежність сили тертя від площі опори. Але роботи Леонардо да Вінчі стали відомі вже після того, як класичні закони тертя були знову відкриті французькими вченими Амонтоном і Кулоном в XVII — XVIII століттях. Ось ці закони:
1. Величина сили тертя
F прямо пропорційна величині сили нормального тиску N тіла на поверхню, по якій рухається тіло, тобто F = N.
2. Сила тертя не залежить від площі контакту між поверхнями.
3. Коефіцієнт тертя залежить від властивостей поверхонь тертя.
4. Сила тертя не залежить від швидкості руху тіла.
Ось приклад. Англійський фізик Гарди досліджував залежність сили тертя між скляними пластинками від температури. Він ретельно обробляв платівки хлорним вапном і обмивав їх водою, видаляючи жири і забруднення. Тертя збільшувалася з температурою. Досвід був повторений багато разів, і кожен раз виходили приблизно одні й ті ж результати. Але одного разу, моя платівки, Гарди протер їх пальцями — тертя перестало залежати від температури. Протерши платівки, Гарди, як він сам вважав, видалив з них дуже тонкий шар скла, який змінив свої властивості через взаємодії з хлоркою і водою.
Механізм тертя дуже складний. Обговоримо таку модель. Через нерівностей поверхонь вони стосуються один одного тільки в окремих точках на вершинах виступів. Тут молекули дотичних тіл підходять на відстані, співмірні з відстанню між молекулами у самих тілах, і зчіплюються. Утворюється міцний зв’язок, яка рветься при натиску на тіло. При русі тіла зв’язку постійно виникають і рвуться. При виникають коливання молекул. На ці коливання і витрачається енергія.
Площа дійсного контакту зазвичай порядку тисяч квадратних мікронів. Вона практично не залежить від розмірів тіла і визначається природою поверхонь, їх обробкою, температурою і силою нормального тиску. Якщо на тіло натиснути, то виступи мнуться, і площа дійсного контакту збільшується. Збільшується і сила тертя.
При значної шорсткості поверхонь велику роль у збільшенні сили тертя починає грати механічне зачеплення між "пагорбами". Вони при русі мнуть, і при цьому теж виникають коливання молекул.
Тепер зрозумілий досвід з полірованими скляними пластинками. Поки поверхні були "грубі", число контактів було не велике, а після доброї поліровки воно зросло. Можна навести ще приклад збільшення тертя з поліпшенням поверхні. Якщо взяти два металевих бруски з чистими полірованими поверхнями, то вони злипаються. Тертя тут стає дуже великим, так як площа дійсного контакту велика. Сили молекулярного зчеплення, які відповідальні за тертя, перетворюють два бруска в моноліт.
Сухе тертя має ще одну істотну особливість: наявність тертя спокою. У рідині або газі тертя виникає тільки при русі тіла, і тіло можна зрушити, приклавши до нього навіть дуже маленьку силу. Однак при сухому терті тіло починає рухатися тільки тоді, коли проекція доданої щодо нього сили F на площину, дотичну до поверхні, на якій лежить тіло, стане більше деякою величини. Поки тіло не почало ковзати, діюча на нього сила тертя дорівнює дотичній складової доданої сили і спрямована в протилежний бік.
Ось ще приклади, коли хочуть витягти цвях з стінки без допомоги кліщів, його нагинають і тягнуть, повертаючи одночасно навколо осі. З тієї ж причини при різкому гальмуванні автомобіль втрачає управління і машину "заносить": колеса ковзають по дорозі, за рахунок нерівностей дороги виникає бічна сила.
Зазвичай вважають, що, для того щоб зрушити тіло з місця, по нього потрібно докласти велику силу, ніж для того, щоб тягнути тіло. У більшості випадків це пов’язано з забрудненнями поверхонь тертьових тіл. Так, для чистих металів такого стрибка сили тертя не спостерігається.
При рівномірному русі смичка скрипки струна захоплюється їм і натягується. Разом з натягом струни збільшується сила тертя між смичком і струною. Коли величина сили тертя стає максимально можливої, струна починає прослизати щодо змичка. Якби сила тертя не залежала від відносної швидкості змичка і струни, то, очевидно, відхилення струни від положення рівноваги не змінювався б. Але при прослизанні тертя зменшується, тому струна починає рухатися до стану рівноваги. При цьому відносна швидкість струни збільшується, а це ще зменшує силу тертя. Коли ж струна, зробивши коливання, двіжетсяв зворотному напрямку, її швидкість щодо змичка зменшується смичёк знову захоплює струну, і все повторюється спочатку. Так порушуються коливання струни. Ці коливання незгасаючі, оскільки енергія, втрачена струною при її русі, кожен раз заповнюється роботою сили тертя, підтягувала струну до становища, при якому струна зривається.
Читайте також: Посуд з опалового скла — можливий шкоду для здоров’я
Цим можна і закінчити тему про сухому терті — явище, природу якого ми ще не розуміємо досить добре, але вміємо описувати з допомогою законів, що виконуються з задовільною точністю. Це дає нам можливість пояснювати багато фізичні явища і робити необхідні розрахунки.
Шкідливий і корисне тертя
Тертя може бути як шкідливим так і корисним.
Тертя гальмує рух. на подолання тертя всіх видів витрачається величезна кількість цінного палива. Тертя викликає знос поверхонь тертя: стираються підошви, шини автомобілів, деталі машин. Шкідливий тертя намагаються зменшити.
В якихось випадках відсутність тертя загрожує великими неприємностями (наприклад, гальмування автомобілів відбувається тільки за рахунок сил тертя, що виникають між колодками і барабаном), його намагаються збільшити, наприклад, при ходьбі в ожеледь.
У повсякденному житті сили тертя так само грають як позитивну, так і негативну роль, причому їх прояви різноманітні. На використанні статичного тертя засновані скріплення деталей за допомогою цвяхів, рух людини і автомобіля по земній поверхні. Можна уявити, які виникли б труднощі при ходьбі, якби не існувало сил статичного тертя (наприклад, при ожеледі). Взагалі кажучи, якщо б не було сил тертя, неможливо було б утримати будь-який предмет в руці. У багатьох випадках роль сил тертя навпаки негативна. Тертя з часом руйнує рухомі деталі, тому чим більше їх в механізмі, тим він менш довговічний.