Проявление законов силы трения в повседневной жизни человека

 

По этой ссылке вы сможете найти много готовых рефератов по физике:

 

Много готовых рефератов по физике

 

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

 

Действие поляризационных приборов

Распространение радиоактивных волн

Максвелл и его электромагнитная теория

Способы умягчения воды

Введение:

Мы сталкиваемся с трением на каждом шагу. Точнее было бы сказать, что без трения мы не можем даже сделать шаг. Но, несмотря на огромную роль, которую трение играет в нашей жизни, достаточно полная картина возникновения трения еще не создана. Это даже не из-за того, что трение имеет сложный характер, а скорее из-за того, что эксперименты с трением очень чувствительны к обработке поверхности и, следовательно, их трудно воспроизвести. 

Говоря о трении, существует три слегка разных физических явления: сопротивление, когда тело движется в жидкости или газе это называется жидкостным трением; сопротивление, возникающее при скольжении тела по какой-либо поверхности трение скольжения или сухое трение; Сопротивление, возникающее при качении тела, является трением качения. 

История силы трения

Талантливый человек талантлив во всем, но только несколько гениев были гениями во всем, что они делали, и, возможно, за всю историю человечества только один человек, Леонардо да Винчи, заслуживает звания абсолютно универсального гения. Как художник, скульптор и инженер он превзошел своих современников. Как ученый, он был на столетия впереди своей эпохи. Среди бесчисленных научных достижений первая формулировка законов трения. Леонардо (1519) утверждал, что сила трения, возникающая, когда тело контактирует с поверхностью другого тела, пропорциональна нагрузке (сила нажатия), направлена ​​против направления движения и не зависит от площади контакта. Модель Леонардо была заново открыта 180 лет спустя Г. Амонтоном и была окончательно сформулирована в работах Ш.О. Подвеска (1781). Amonton и Coulomb представили концепцию коэффициента трения как отношения силы трения к нагрузке, придав ей значение физической постоянной, которая полностью определяет силу трения для любой пары контактирующих материалов. До сих пор именно эта формула 

где P сила нажатия, а F tr сила трения, это единственная формула, которая фигурирует в учебниках по физике, а значения коэффициента трения f tr для различных материалов (сталь по стали, сталь по бронзе, чугун на коже и т. д.) включены в стандартные технические справочники и служат основой для традиционных технических расчетов. Однако уже в 19 веке стало ясно, что закон Амонтона-Кулона не дает правильного описания силы трения, и коэффициенты трения отнюдь не являются универсальными характеристиками. Прежде всего было отмечено, что коэффициенты трения зависят не только от того, какие материалы находятся в контакте, но и от того, насколько гладко обрабатываются контактные поверхности. Также было обнаружено, что сила статического трения отличается от силы трения при движении. Чтобы напомнить, что обычно подразумевается под статическим трением, приведем диаграмму простого эксперимента. Мы попытаемся сдвинуть тело с места, потянув за трос с помощью пружинного динамометра. При небольшом смещении конца кабеля корпус остается на месте: сила, развиваемая пружиной динамометра, недостаточна. Обычно говорят, что на контактирующих поверхностях развивается сила трения, чтобы уравновесить приложенную силу. Мы постепенно увеличиваем смещение и вместе с этим силу упругости, приложенную к телу. В какой-то момент оказывается, что этого достаточно, чтобы переместить тело с места. Показания динамометра, зарегистрированные в этот момент, обычно называют статической силой трения, которая характеризует ограничивающие возможности стационарной (статической) адгезии тел. Если мы продолжим медленно тянуть трос, тело будет кататься по поверхности. Оказывается, что показания динамометра, записанные во время движения, не будут такими же, как в момент запуска. Обычно сила трения при медленном движении меньше стартовой силы статического трения. Кулон точно изучил силу трения при медленном взаимном движении контактирующих тел и обнаружил, что эта сила зависит не от величины скорости, а только от направления движения (всегда направленного против движения). 

Конец XIX века ознаменовался выдающимися успехами в изучении вязкости, т. е. трения в жидкостях. Вероятно, с доисторических времен было известно, что поверхности, смазанные маслом или даже просто увлажненные водой, намного легче скользят. Смазывание трущихся поверхностей использовалось с момента появления технологии, но только О. Рейнольдс в 1886 году дал первую теорию смазки. 

При наличии достаточно толстого смазочного слоя, который обеспечивает отсутствие прямого контакта между трущимися поверхностями, сила трения определяется только свойствами (гидродинамикой) смазочного слоя. Сила статического пуска равна нулю, а с увеличением скорости сила сопротивления движению увеличивается. Если смазка недостаточна, то действуют все три механизма: сила статического сопротивления движению от пятна, кулоновская сила и сила вязкого сопротивления. Итак, к концу 19-го века картина зависимости силы трения от скорости. Но уже на пороге 20-го века возникли сомнения в правильности этой картины на очень малых скоростях. В 1902 году Стрибек опубликовал данные, показывающие, что в отсутствие смазки сила сопротивления не сразу падает с уровня начальной силы к силе Кулона, но постепенное падение силы происходит с увеличением скорости, эффект, противоположный гидродинамической вязкости.  Этот факт был проверен много раз позже и теперь обычно упоминается как эффект ответного удара. 

Быстро развивающаяся технология 20-го века требовала все большего внимания к изучению трения. В 1930-х годах исследования в области трения стали настолько интенсивными, что пришлось выделить их как особую науку трибологии, лежащую на стыке механики, физики поверхностных явлений и химии (создание новых смазочных материалов является вопросом для химиков). Только в США в этой области в настоящее время работают более 1000 исследователей, и ежегодно в мире науки публикуется более 700 статей. Невозможно рассказать обо всем и упомянуть все из них, и в дальнейшем будет сделана попытка описать только общую картину и упомянуть только некоторые интересные результаты. 

Современная картина трения

Чтобы хотя бы понять основы трибологии, следует прежде всего обратиться к топографии поверхностей частей реальных механизмов, контактирующих друг с другом. Эти поверхности никогда не бывают идеально плоскими, они имеют микрошероховатости. Расположение выступов на одной поверхности совсем не совпадает с расположением выступов на другой. Как образно выразился один из пионеров трибологии Ф. Боуден, «наложение двух твердых тел друг на друга похоже на наложение швейцарских Альп на перевернутые австрийские Альпы, площадь контакта очень мала. Однако при сжатии заостренные «горные вершины» пластически деформируются, и фактическая площадь контакта увеличивается пропорционально приложенной нагрузке. Именно сопротивление относительному смещению этих контактных зон является основным источником трения в движении. Само сопротивление сдвигу при идеальном контакте определяется межмолекулярным взаимодействием, которое зависит от природы контактирующих материалов. 

Таким образом, влияние двух основных факторов объясняется: нагрузка (сила нажатия) и свойства материалов. Однако есть два осложняющих фактора. Во-первых, металлические поверхности в воздухе быстро покрываются тонкой оксидной пленкой, и фактически контакт происходит не между чисто металлическими поверхностями, а между оксидными пленками, которые имеют более низкое сопротивление сдвигу. Проникновение любой жидкой или пастообразной смазки обычно приводит к изменению структуры контакта. Во-вторых, при относительном сдвиге происходит не только скольжение вдоль контактных площадок, но и упругая деформация выступов и пиков. Выделим схематически только два пика. Когда вы пытаетесь двигаться в горизонтальном направлении, одна вершина начинает изгибаться другой, то есть сначала пытается сгладить дорогу, а затем скользить по ней. Ширина пиков мала (порядка сотых долей миллиметра), и в пределах таких микроперемещений именно упругое сопротивление играет основную роль, то есть сила должна подчиняться закону Гука, быть пропорциональной смещение. Другими словами, при микроперемещениях контактирующие поверхности как бы связаны многочисленными пружинами. Но после того, как верхний пик в ходе движения проходит над нижним (оба они сплющены), пружина разрывается, пока не встретит новое препятствие. Таким образом, после приложения продольной силы, стремящейся сдвинуть два тела, могут возникнуть следующие четыре основные моды: режим I упругих микроперемещений, режим II скольжения вдоль областей контакта мягкого поверхностного слоя (оксидные пленки), В режиме III, когда на более высокой скорости жидкая смазка создает подъемную силу, которая разрушает большинство прямых контактов и тем самым снижает силу трения, в режиме IV, когда прямые контакты полностью исчезают, одно тело «плавает» над другим вдоль смазочного слоя и вязкое сопротивление увеличивается с увеличением скорости. 

Сила трения

Трение это сопротивление контактирующих тел движению относительно друг друга. Каждое механическое движение сопровождается трением, и это обстоятельство имеет существенные последствия в современном техническом прогрессе. 

Сила трения это сила сопротивления движению контактирующих тел относительно друг друга.

Трение объясняется двумя причинами: неровностями трущихся поверхностей тел и молекулярным взаимодействием между ними. Если мы выйдем за пределы механики, то следует сказать, что силы трения имеют электромагнитное происхождение, а также силы упругости. Каждая из двух вышеуказанных причин трения в разных случаях проявляется в разной степени. Например, если контактирующие поверхности твердых трущихся тел имеют значительные неровности, то основной член в силе трения, возникающей здесь, будет обусловлен именно этим обстоятельством, то есть шероховатостью, шероховатостью поверхностей трущихся тел. 

Тела, движущиеся с трением относительно друг друга, должны касаться поверхностей или перемещаться одно в окружении другого. Движение тел относительно друг друга может не возникнуть из-за наличия трения, если движущая сила меньше максимальной силы трения в покое. 

Если контактирующие поверхности твердых трущихся тел идеально отполированы и гладкие, то основной член силы трения, возникающей в этом случае, будет определяться молекулярной адгезией между трущимися поверхностями тел.

Рассмотрим более подробно процесс возникновения сил трения скольжения и покоя на стыке двух контактирующих тел. Если вы посмотрите на поверхности тел под микроскопом, вы увидите микрошероховатости, которые мы изобразим в увеличенном виде. 

Иная картина взаимодействия тел получается, когда сила начинает действовать на одно из тел. В этом случае точки соприкосновения будут преимущественно на левых «склонах». Первое тело будет давить на второе. Интенсивность этого давления характеризуется силой R. Второе тело, в соответствии с третьим законом Ньютона, будет действовать на первое тело. Интенсивность этого действия характеризуется силой R (опорная реакция). Сила R может разложить на составляющие: силу N, направленную перпендикулярно поверхности контакта тел, и силу Fsc, направленную против действия силы F. 

После рассмотрения взаимодействия тел следует отметить два момента.

При взаимодействии двух тел в соответствии с третьим законом Ньютона возникают две силы R и R"; для удобства учета при решении задач мы разлагаем силу R на составляющие N и Fsc (в данном случае Ffr). движения).

Силы N и FTp имеют одинаковую природу (электромагнитное взаимодействие); иначе быть не может, так как это составляющие одной и той же силы R. 

Замена трения скольжения на трение качения очень важна в современных технологиях для снижения вредного воздействия сил трения. Сила трения качения определяется как сила, необходимая для равномерного прямолинейного качения тела по горизонтальной плоскости. Опыт показал, что сила трения при качении рассчитывается по формуле: 

где F сила трения качения; k коэффициент трения качения; P сила давления тела качения на опору, а R радиус тела качения. 

Как видно из практики, из формулы видно, что чем больше радиуса тела качения, тем меньше препятствий неровности поверхности носителя есть.

Обратите внимание, что коэффициент трения качения, в отличие от коэффициента трения скольжения, является именованным значением и выражается в единицах длины метрах.

Трение скольжения заменяется трением качения, в необходимых и возможных случаях заменой подшипников скольжения на подшипники качения.

Существует внешнее и внутреннее трение (иначе называемое вязкостью). Внешнее трение называется таким типом трения, при котором в точках контакта твердых тел возникают силы, которые препятствуют взаимному движению тел и направлены тангенциально к их поверхностям. 

Внутреннее трение (вязкость) это тип трения, заключающийся в том, что происходит взаимное смещение. Между слоями жидкости или газа возникают тангенциальные силы, препятствующие такому движению. 

Внешнее трение подразделяется на статическое трение (статическое трение) и кинематическое трение. Трение в покое возникает между неподвижными твердыми телами, когда любое из них пытается двигаться. Кинематическое трение существует между взаимно контактирующими движущимися твердыми телами. Кинематическое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения. 

Силы трения играют важную роль в жизни человека. В некоторых случаях он использует их, а в других он борется с ними. Силы трения имеют электромагнитную природу. 

Типы сил трения

Силы трения имеют электромагнитную природу, то есть в основе сил Трения это электрические силы взаимодействия молекул. Oни зависит от скорости движения тел относительно друг друга.

Существует 2 типа трения: сухое и жидкое. Трение жидкости это сила, возникающая при движении твердого тела.

Тело в жидкости или газе или когда один слой жидкости движется (газ) по отношению к другому и препятствуя этому движению. В жидкостях и газах нет статической силы трения.

При низких скоростях движения в жидкости (газе):

Ftr = k1v,

где k1 коэффициент сопротивления в зависимости от формы, размеров

кузов и со ст. среды. Определяется опытным путем. 

На высоких скоростях:

Ftr = k2v,

где k2 коэффициент сопротивления.

Сухое трение это сила, создаваемая прямым контакт между телами и всегда направлен вдоль поверхностей контакт электромагнитных тел точно путем разрыва молекулярных связей.

Трение покоя

Рассмотрим взаимодействие бара с поверхностью стола. Поверхность контактирующих тел не совсем плоская.

Наибольшая сила притяжения возникает между атомами веществ, которые находятся на минимальном расстоянии друг от друга, то есть на микроскопических выступах. Суммарная сила притяжения атомов в контактирующих телах настолько значительна, что даже под действием внешней силы, приложенной к стержню параллельно поверхности его контакта со столом, стержень остается в покое. Это означает, что на стержень действует сила, равная по величине внешней силе, но противоположно направленная. Эта сила является силой трения в покое. 

Когда приложенное усилие достигает максимального критического значения, достаточного для разрыва связей между выступами, планка начинает скользить вдоль стола.

Максимальная сила статического трения не зависит от площади контакта поверхности.

Согласно третьему закону Ньютона, сила нормального давления равна по величине силе реакции опоры N.

Максимальная сила статического трения пропорциональна силе нормального давления:

где  коэффициент статического трения.

Статический коэффициент трения зависит от характера обработки поверхности и от сочетания материалов, из которых состоят контактирующие тела. Качественная обработка гладких контактных поверхностей приводит к увеличению числа притягиваемых атомов и, соответственно, к увеличению коэффициента статического трения. 

Наблюдения показывают, что статическая сила трения всегда направлена ​​в направлении, противоположном внешней силе, действующей на тело, стремясь привести это тело в движение. До определенного момента сила статического трения увеличивается с увеличением внешней силы, уравновешивая последнюю. Максимальное значение статической силы трения пропорционально модулю силы Fd давления, оказываемого телом на опору. 

Согласно третьему закону Ньютона, сила Fd давления тела на опору по величине равна силе N реакции опоры. Следовательно, максимальная сила статического трения пропорциональна силе реакции опоры. Для модулей этих сил действует следующее соотношение: 

Fп = fпN, 

где fп безразмерный коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения в покое. Значение этого коэффициента зависит от материала и состояния трущихся поверхностей. 

Значение коэффициента статического трения можно определить следующим образом. Пусть тело (плоский стержень) лежит на наклонной плоскости AB. На него действуют три силы: сила тяжести F, сила трения в покое Fп и сила реакции опоры N. Нормальная составляющая Fп силы тяжести это сила давления Fd, создаваемая телом на опоре. т.е. 

FН = Fд. 

Тангенциальная составляющая силы тяжести Ft представляет собой силу, которая стремится сдвинуть тело вниз по наклонной плоскости.

При малых углах наклона a сила Ft уравновешивается статической силой трения Fп, и тело находится в состоянии покоя на наклонной плоскости (сила N реакции опоры по третьему закону Ньютона равна по величине и противоположна по направлению к сила Fd, т. е. она уравновешивает ее).

Скольжение 

Трение скольжения возникает из-за относительного движения контактирующих тел.

Сила трения скольжения всегда направлена ​​в направлении, противоположном относительной скорости контактирующих тел.

Когда одно тело начинает скользить по поверхности другого тела, связи между атомами (молекулами) изначально неподвижных тел разрываются, трение уменьшается. При дальнейшем относительном движении тел между атомами постоянно образуются новые связи. В этом случае сила трения скольжения остается постоянной, несколько меньшей, чем сила статического трения. Как и максимальная статическая сила трения, сила трения скольжения пропорциональна нормальной силе давления и, следовательно, силе реакции опоры: 

где  коэффициент трения скольжения () в зависимости от свойств контактирующих поверхностей.

Трение качения

Одним из самых гениальных изобретений человечества является колесо. Он был использован для перевозки грузов 5000 лет назад. Хорошо известно, что несущую нагрузку на тележку несравненно легче, чем тащить ее. 

Когда колесо катится без скольжения по поверхности, молекулярные связи разрушаются при подъеме секций колеса быстрее, чем при скольжении. Следовательно, сила трения при качении намного меньше, чем сила трения при скольжении. 

Сила трения качения пропорциональна силе реакции подшипника:

где  коэффициент трения качения.

Коэффициент трения качения намного меньше коэффициента трения скольжения:

.

Значение силы трения

Представьте, что во всем мире некий маг сумел «отключить» трение. Теперь подумайте о непредвиденных последствиях этого. Во-первых, вы, конечно, обнаружите, что трения далеко не всегда устойчивы, хотя именно от этого трения люди пытаются избавиться в тысячах ситуаций. Например, они смазывают детали механизмов и машин, чтобы уменьшить их износ и не тратить энергию, которая уходит на бесполезный нагрев. Однако без трения мы не сможем ходить, колеса машин будут бесполезно вращаться на месте, прищепки не смогут ничего удержать и. и т.п. 

Во-вторых, продолжая наши фантазии вместе, мы в конечном итоге дойдем до причин трения. И тут открывается самое интересное. Во время скольжения одного объекта над другим, как будто микроскопические бугорки соприкасаются друг с другом. Но если бы этих ударов не было, это не означало бы, что было бы легче переместить объект или перетащить его. Это будет так называемый эффект прилипания, который вы можете легко обнаружить, если попытаться, скажем, сдвинуть стопку книг с глянцевым покрытием вдоль поверхности полированного стола. 

Таким образом, если бы не было трения, не было бы этих крошечных попыток каждой частицы материи держать своих соседей рядом с собой. Но тогда как эти частицы слиплись бы вообще? Другими словами, желание «жить в компании» исчезло бы внутри различных органов. То есть вещество развалится до мельчайших деталей, так как дом из детского конструктора разрушится от шока. 

Это неожиданный вывод, к которому можно прийти, если предположить, что трения нет. Нужно бороться с трением, но от него невозможно будет полностью избавиться, и в этом нет необходимости. 

К этому можно добавить, что при отсутствии трения гвозди и шурупы могли бы выскользнуть из стен, ни одна вещь не могла удерживаться в руках, ни один вихрь никогда не остановился бы, ни один звук не остановился бы, но будет звучать бесконечное эхо, эхом отозвался, например, от стен комнаты. Наглядный урок, который убеждает нас в огромной важности трения, каждый раз нам дает лед. Оказавшись с ней на улице, мы беспомощны. 

Заключение

Сила трения это сила, которая возникает, когда одно тело движется или пытается перемещаться вдоль поверхности другого, и направляется вдоль контактирующих поверхностей против движения. Причинами сил трения являются шероховатость контактирующих поверхностей и взаимное притяжение молекул этих поверхностей. 

Существуют статические силы трения, силы трения скольжения, силы трения качения.

Статическая сила трения это сила, возникающая между контактирующими поверхностями тел, которые неподвижны относительно друг друга.

Например, когда мы пытаемся переместить шкаф с его места, мы не добиваемся успеха немедленно. Если наши силы недостаточно сильны, кабинет не будет двигаться, так как появилась сила трения, которая уравновешивала примененную нами силу. Эта новая сила сила статического трения. Чем больше силы мы прикладываем к шкафу, тем больше будет сила статического трения. 

Наконец, мы можем применить такую ​​силу, когда кабинет в конце концов начнет двигаться. В этот момент будет достигнута максимальная статическая сила трения. 

Сила трения, действующая вдоль поверхности контакта твердых тел, направлена ​​против скольжения тела. Но не следует думать, что трение всегда мешает движению оно часто способствует этому. Когда колеса автомобиля прокручиваются, фрикционная шина, обращенная к поверхности Земли, препятствует их скольжению, действует со стороны дороги и направляется вперед, обеспечивая движение автомобиля вперед. Чем сильнее трение, тем больше соответствующая сила, поэтому они стараются не уменьшать, а увеличивать ее: поверхность дороги шероховата, на поверхность шины наносятся рельефные узоры (протекторы).