Трение – наш «друг» и «враг»

 

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:

 

Электричество в быту

Простые механизмы и их применение

Вес – очень знакомое слово

Глаз. Зрение. Очки

Введение:

Почему скрипка звучит, когда кланяешься вдоль нее? В конце концов, лук движется, и колебания струны являются периодическими. Как автомобиль ускоряется и какая сила замедляет его при торможении? Почему машина скользит по скользкой дороге? Законы трения дают ответы на все эти и многие другие важные вопросы, связанные с движением тел. 

Вы можете видеть, как разнообразные и иногда неожиданно трения проявляются в нашей среде. Трение принимает участие, и очень важное, где мы даже не подозреваем об этом. Если бы трение внезапно исчезло из мира, многие обычные явления происходили бы совершенно по-другому. 

Французский физик Гийом очень красочно пишет о роли трения: «У всех нас была возможность выйти на лед; сколько усилий стоило нам удержаться от падения, сколько забавных движений нам пришлось сделать, чтобы противостоять! Это заставляет нас признать, что обычно земля, на которой мы ходим, обладает драгоценным свойством, которое позволяет нам легко сохранять равновесие. Та же мысль возникает, когда мы едем на велосипеде по скользкому асфальту или когда лошадь скользит по асфальту и падает. Изучая такие явления, мы приходим к открытию последствий, к которым приводит трение. Инженеры стремятся устранить это в машинах, когда это возможно, и делают это хорошо. В прикладной механике трение рассматривается как крайне нежелательное явление, и это правильно, но только в узкой специализированной области. Во всех других случаях мы должны быть благодарны за трения: это позволяет нам ходить, сидеть и работать без страха, что книги и чернильница упадут на пол, что стол будет скользить до угла, и ручка будет скользить из наших пальцев.

Трения настолько распространены, что нам, за редкими исключениями, не приходится обращаться к ним за помощью: он кажется нам сам по себе.

Трение способствует стабильности. Плотники выравнивают пол так, чтобы столы и стулья оставались там, где они есть. Блюдца, тарелки, стаканы, поставленные на стол, остаются неподвижными без особой заботы с нашей стороны, если только это не произойдет на пароварке во время качки. 

Давайте представим, что трение можно полностью устранить. Тогда никакие тела, будь то размером с валун или размером с песчинку, никогда не будут держаться друг за друга: все будет скользить и катиться, пока не окажется на одном уровне. Без трения Земля представляла бы собой шар без неровностей, как жидкость. 

К этому можно добавить, что в отсутствие трения гвозди и шурупы могли бы выскользнуть из стен, ни одна вещь не могла бы удерживаться в наших руках, ни один вихрь никогда не остановился бы, ни один звук не прекратился бы, но будет звучать бесконечное эхо , отражая неослабно, например, от стен комнаты.

Наглядный урок, который убеждает нас в огромной важности трения, каждый раз нам дает лед. Оказавшись у нее на улице, мы оказываемся беспомощными и все время рискуем упасть. Вот поучительная выдержка из газеты (декабрь 1927 года): Лондон, 21 год. Из-за сильного льда, уличного и трамвайного движения в Лондоне очень сложно. Около 1400 человек были госпитализированы со сломанными руками, ногами и т. д. 

Однако незначительное трение на льду может быть успешно использовано технически. Обычные санки являются примером этого. Об этом еще лучше свидетельствуют так называемые ледяные дороги, которые были организованы для транспортировки древесины от рубки к железной дороге или к точкам рафтинга. На такой дороге, которая имеет гладкие ледяные рельсы, две лошади тянут сани, загруженные 70 тоннами бревен. 

Трение в покое, скольжение

Раньше считалось, что механизм трения не сложен: поверхность покрыта неровностями, а трение является результатом подъема скользящих частей к этим неровностям; но это неправильно, потому что тогда не было бы потери энергии, но фактически энергия расходуется на трение. 

Механизм потерь другой. И здесь оказывается крайне неожиданным, что это трение можно приблизительно описать эмпирически по простому закону. Сила, необходимая для преодоления трения и перетаскивания одного объекта на поверхность другого, зависит от силы, нормальной для контактных поверхностей. 

Поверхность твердого тела обычно неровная. Например, даже в очень хорошо отполированных металлах в электронном микроскопе видны «горы» и «впадины» размером 100-1000 Å. Когда тела сжаты, контакт происходит только в самых высоких местах, и площадь реального контакта намного меньше, чем общая площадь контактирующих поверхностей. Давление в точках контакта может быть очень высоким, и там происходит пластическая деформация. В этом случае площадь контакта увеличивается, а давление уменьшается. Это продолжается до тех пор, пока давление не достигнет определенного значения, при котором деформация прекращается. Следовательно, фактическая площадь контакта пропорциональна сжимающей силе. 

В точке контакта действуют силы молекулярной адгезии (например, известно, что очень чистые и гладкие металлические поверхности прилипают друг к другу).

Эта модель сил сухого трения (так называемое трение между твердыми телами), по-видимому, близка к реальной ситуации в металлах.

Если тело, например, просто лежит на горизонтальной поверхности, то сила трения на него не действует. Трение возникает, если вы пытаетесь двигать телом, прикладывайте к нему силу. Пока величина этой силы не превышает определенного значения, тело остается в покое, а сила трения равна по величине и противоположна в направлении приложенной силы. Затем начинается движение. 

Сила трения при скольжении твердых тел зависит не только от свойств поверхностей и силы давления (эта зависимость качественно такая же, как для статического трения), но и от скорости движения. Часто, когда скорость увеличивается, сила трения сначала резко падает, а затем начинает снова увеличиваться. 

Эта важная особенность силы трения скольжения точно объясняет, почему звучит струна скрипки. Первоначально между луком и струной нет проскальзывания, и струна захвачена луком. Когда сила статического трения достигает своего максимального значения, струна разрывается, и затем она вибрирует почти как свободная, затем она снова захватывается луком и т. д. 

Подобные, но уже вредные, вибрации могут возникать при обработке металла на токарном станке из-за трения между удаляемой стружкой и резцом. И если лук натирают канифолью, чтобы сделать зависимость силы трения от скорости более резкой, то при обработке металла вам придется действовать наоборот (выбрать специальную форму резца, смазку и т. д.). Поэтому важно знать законы трения и уметь их использовать. 

В дополнение к сухому трению существует также так называемое жидкостное трение, которое возникает, когда твердые вещества движутся в жидкостях и газах, и связано с их вязкостью. Силы трения жидкости пропорциональны скорости движения и исчезают, когда тело останавливается. Поэтому в жидкости вы можете заставить тело двигаться, применяя даже очень маленькое усилие. Например, человек может привести в движение тяжелую баржу на воде, оттолкнувшись от дна шестом, но на земле он, конечно, не может перенести такой груз. Эта важная особенность сил жидкостного трения объясняется, например, тем, почему автомобиль «скользит» по мокрой дороге. Трение становится жидким, и даже небольшие неровности на дороге, создавая боковые силы, приводят к «заносу» автомобиля. 

Трение качения

Возьмите деревянный цилиндр и поместите его на стол так, чтобы он касался стола вдоль образующей. Вставьте концы проволочной вилки в центры основ цилиндров и прикрепите к ней очень чувствительный динамометр. Если вы потянете динамометр, цилиндр будет катиться на столе. Согласно показаниям динамометра, мы увидим, что для перемещения цилиндра и его равномерного вращения требуется очень небольшая сила тяги, намного меньшая, чем при скольжении того же цилиндра, если он не вращается и будет скользить по столу. При одинаковой силе давления на стол сила трения качения намного меньше, чем сила трения скольжения. Например, когда стальные колеса катятся по стальным рельсам, трение качения примерно в 100 раз меньше трения скольжения. Поэтому машины, как правило, заменяют трение скольжения трением качения, используя так называемые шариковые или роликовые подшипники. 

Происхождение трения качения можно представить следующим образом. Когда шарик или цилиндр катится по поверхности другого тела, он слегка вдавливается в поверхность этого тела и сам слегка сжимается. Таким образом, вращающееся тело, кажется, все время катится в гору. 

В то же время происходит разделение участков одной поверхности от другой, и силы адгезии, действующие между этими поверхностями, предотвращают это. Оба эти явления вызывают силы трения качения. Чем жестче поверхности, тем меньше вмятин и меньше трения качения. 

 

Сопротивление среды

Если твердое вещество находится внутри жидкости или газа, то вся его поверхность всегда контактирует с частицами жидкости или газа. Когда тело движется, силы, направленные против движения, действуют на него со стороны жидкости или газа. Эти силы называются сопротивлением окружающей среды. Как силы трения, сопротивление среды всегда направлено против движения. Среднее сопротивление можно рассматривать как один из видов трения. 

Особенностью сил трения в жидкости или газе является отсутствие статического трения. Твердое тело, лежащее на другом твердом теле, может быть перемещено с его места, только если к нему приложено достаточно большое усилие, превышающее наибольшую статическую силу трения. С меньшей силой твердое тело не сдвинется с места, независимо от того, как долго эта сила может действовать. Картина отличается, если тело находится в жидкости. В этом случае для перемещения тела достаточно иметь сколь угодно малые силы: хотя и очень медленно, тело начнет двигаться. Человек никогда не будет двигать камень весом в сто тонн голыми руками. В то же время, баржа весом сто тонн, плавающая на воде, один человек, хотя и очень медленно, все еще может двигаться. Однако с увеличением скорости сопротивление среды значительно возрастает, поэтому независимо от того, как долго действует сила, она не сможет разогнать тело до высокой скорости. 

Вязкость является важной характеристикой жидких и газообразных сред. Вязкость это свойство жидких тел (жидкостей и газов) сопротивляться движению одной их части относительно другой под воздействием внешних сил. 

Количественно вязкость определяется величиной силы сдвига, которая должна быть приложена к единице площади слоя сдвига, чтобы поддерживать ламинарный поток в этом слое с постоянной скоростью сдвига, равной единице.

Вязкость газов и жидкостей, согласно молекулярно-кинетической теории, обусловлена ​​передачей импульса от молекул быстро движущегося слоя к молекулам более медленного слоя, что происходит, когда молекулы соседних слоев перемешиваются из-за теплового движения.

Внутренние силы трения намного меньше, чем силы трения скольжения. Поэтому для уменьшения трения между движущимися частями машин и механизмов используется смазка слой вязкой жидкости, который заполняет пространство между трущимися поверхностями и отталкивает их друг от друга. Это приводит к значительному снижению нагрева и износа деталей. В то же время необходимо избегать попадания жидкости между фрикционными муфтами, ремнем и шкивом в ременной передаче, рабочими колесами локомотива и рельсом и т. д., поскольку во всех этих случаях это сила трения, которая служит для передачи движения. 

С повышением температуры вязкость газов увеличивается, а жидкости (за некоторыми исключениями) резко уменьшаются. Это связано с различиями в характере движения молекул в жидкости и газе. С понижением температуры вязкость некоторых жидкостей увеличивается настолько, что они теряют свою характерную способность течь, превращаясь в аморфные твердые вещества. 

Сопротивление воздуха

Когда твердое тело движется в воздухе, на тело действует сила сопротивления воздуха, направленная противоположно движению тела. Такая же сила возникает, если сгусток воздуха попадает на неподвижное тело; это, конечно, направлено вдоль движения потока. 

Сила сопротивления вызвана, во-первых, трением воздуха о поверхность тела и, во-вторых, изменением движения потока, вызванным телом. В воздушном потоке, измененном присутствием тела, давление на передней части тела увеличивается, а на задней стороне оно уменьшается по сравнению с давлением в невозмущенном потоке. 

Таким образом, создается разность давлений, которая замедляет движущееся тело или уносит тело, погруженное в поток. Движение воздуха за телом принимает нерегулярный вихревой характер. 

Сила сопротивления зависит от скорости потока, от размера и формы тела.

Для всех тел, показанных на рисунке, сопротивление движению одинаково, несмотря на очень разные размеры тел.

«Обтекаемое» тело почти не нарушает правильное течение; следовательно, давление на заднюю часть тела незначительно снижается по сравнению с передней частью, и сопротивление невелико. 

Различные обтекатели, установленные на выступающих частях самолета, специально предназначены для устранения турбулентности потока выступающими частями конструкции. В общем, конструкторы склонны оставлять на поверхности как можно меньше выступающих частей и неровностей, которые могут создавать турбулентность. 

Влияние сопротивления воздуха оказывает сильное влияние на наземные транспортные средства: с увеличением скорости автомобилей все большая часть мощности двигателя расходуется на преодоление сопротивления воздуха. Поэтому современные автомобили также получают максимально обтекаемую форму. 

Чтобы уменьшить трение на сверхзвуковой скорости, вам нужно отточить переднюю часть движущегося тела, в то время как на более низких скоростях «обтекание» имеет огромное значение.

Когда тела движутся в воде, также возникают силы сопротивления, направленные против движения тела. Если тело движется под водой, то сопротивление такое же, как при движении по воздуху: трение воды о поверхность тела и изменение потока, которое создает дополнительное сопротивление. Быстро плавающие рыбы и китообразные имеют «обтекаемую форму тела, которая снижает сопротивление воды при движении. Подводным лодкам также придается обтекаемая форма. Из-за высокой плотности воды по сравнению с плотностью воздуха сопротивление движению данного тела в воде намного больше, чем сопротивление в воздухе при той же скорости движения. 

Заключение

Для обычных кораблей, плавающих на поверхности воды, существует также дополнительное волновое сопротивление: волны, исходящие от парусного корабля на поверхности воды, на создание которого непродуктивно тратится часть работы корабельной машины.

Чтобы уменьшить волновое сопротивление, которое для скоростных судов может составлять 3/4 от общего сопротивления, корпусу придают особую форму. Нос корабля в подводной части иногда делается «выпуклым»; в то же время, образование волн на поверхности воды уменьшается, что означает, что сопротивление также уменьшается. 

Чем больше мы будем изучать законы трения, тем сложнее, а не проще, они нам покажутся. Другими словами, углубляясь в закон замедления самолета, мы будем все яснее понимать его «ложь». Чем глубже взгляд, чем точнее измерения, тем сложнее становится истина; он не предстанет перед нами в результате простых фундаментальных процессов. Чем больше человек понимает, что, расширяя круг знаний, человек расширяет круг своего незнания.