Тема урока: "Сила трения"

Цели и задачи урока:

• Изучить новый вид силы, причину ее возникновения.
• Научить учащихся различать виды силы трения покоя, скольжения, качения.
• Рассмотреть примеры положительного и отрицательного влияния силы и способы ее устранения.

Наглядные пособия: Графики и таблицы.

Дидактические пособия: Карточки-задания с пословицами.

На доске:

• Если зеленое и дергается – это Биология,
• Если плохо пахнет – это Химия,
• Если не движется и не работает – это Физика.

Если тело не может двигаться – значит, нет сил, которые смогли бы сообщить этому телу ускорение для движения. Мы с вами изучили движение тел под действием сил всемирного тяготения, силы тяжести и нам известны фундаментальные законы механики - законы Ньютона:

1.Сила всемирного тяготения – это сила взаимного притяжения между любыми телами,она равна: F = G m₁m₂/r².

2.Сила тяжести действует на любое тело у поверхности Земли, и направлена к ее центру: F = mg.

3.! Закон Ньютона – если на тело не действуют никакие силы или действия этих сил скомпенсированы, то это тело или покоится или движется равномерно и прямолинейно, то есть по инерции: F = 0, если v = 0 или v = const.

4.!! Закон Ньютона – под действием некоторой или нескольких сил тело может изменить свою скорость, то есть получить ускорение: F = ma.

5.!!! Закон Ньютона – тела действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной прямой, равными по модулю и противоположными по направлению: F₁ = - F₂.

(Учащиеся записывают формулы на доске)

Чуть позже мы вернемся к этим определениям и используем законы по назначению, а пока рассказывая о движении, нельзя обойтись без упоминания о трении. Почти любое движение окружающих нас тел сопровождается трением. Например: останавливается автомобиль, у которого водитель отключил двигатель; останавливается после многих колебаний маятник; медленно погружается в банку с маслом брошенный туда маленький металлический шарик; стираются подошвы обуви и шины машин; изнашиваются детали трущихся механизмов, изменяя формы и размеры деталей, которые приводят к вибрациям и биениям в механизмах, снижают качество работ и создают угрозу аварии. Все это и многое другое вызвано действием силы трения, возникающей при движении одних тел вдоль поверхности других. Кстати, ходим мы по земле, благодаря все той же силе трения.

Но силы трения возникают не только при движении. Каждому, кому приходилось передвигать по комнате тяжелую мебель (например, шкаф), известно, как трудно сдвинуть ее с места. Усилия, которые необходимо для этого приложить, гораздо больше усилия, затрачиваемого на дальнейшее перемещение шкафа по полу. Сила, которая противодействует первоначальному сдвигу шкафа, называется силой трения покоя. Если сдвигающая сила не достаточно велика, то сила трения покоя уравновешивает сдвигающую силу. При этом одной и той же силой можно легко сдвинуть с места тело с меньшей массой и не сдвинуть с места тело с большей массой. Тем самым нарушить трение покоя одного тела и не изменить другого. До каких пор действует сила трения покоя? Максимальное значение силы трения покоя пропорционально силе тяжести. Чтобы сдвинуть с места более тяжелое тело, нужно приложить большую силу, следовательно, Fтр ~ Fтяж.

Нам привычно, что неодушевленные предметы вокруг не движутся сами по себе, вещи остаются на своих местах, где мы их положили или поставили. Но если бы вдруг сила трения покоя объявила забастовку, в мире начали бы твориться удивительные вещи. Мебель ,,гуляла,, бы по комнатам от легкого сквозняка, со всех гор на свете сползли бы вниз все ледники, все камни и даже вся земля, лежащая на склонах сровнялась бы до одного уровня. Не будь трения покоя, Земля представляла бы шар без неровностей. Даже самые спокойные школьники не смогли бы усидеть за партами – при малейшем движении они соскальзывали бы на пол. К этому можно прибавить, что при отсутствии силы трения покоя гвозди и винты выскальзывали бы из стен, ни одной вещи нельзя было бы удержаться на месте и в руках, ни какой вихрь никогда бы не прекращался, никакой звук не умолкал бы, а звучал бы бесконечным эхом, неослабно отражаясь ото всюду.

Поэтому, все что стоит и не движется это благодаря силе трения покоя, пропорциональной силе тяжести.

1.Для горизонтальной поверхности сила тяжести совпадает по модулю с реакцией опоры (Приложение 1).

2.В случаях, когда тело находится на наклонной поверхности, и оно неподвижно, так как сила трения покоя препятствует силе тяжести, которая стремится столкнуть тело вниз при попытке сдвинуть тело со своего места, сила реакции опоры будет зависеть от угла наклона плоскости (Приложение 2)

Если сдвигающая сила превысит максимальное значение силы трения покоя, тело начнет двигаться. При этом возникает сила трения скольжения, которая несколько меньше максимального значения силы трения покоя и сила трения скольжения не зависит от сдвигающей силы. В нашем примере со шкафом оказывается, что уже скользящий по полу шкаф передвигается с меньшим усилием, чем первоначальный сдвиг с места, дело в том, что на помощь приходит инерция, то есть шкаф движется по инерции и под действием меньшей силы (Приложение 3). Пока шкаф покоится, сила трения увеличивается пропорционально увеличению сдвигающей силы. Когда шкаф начинает двигаться, сила трения скольжения зависит уже от других факторов. И вот такой исторический факт:

Шел 1500 год. Великий итальянский художник, скульптор и ученый Леонардо да Винчи проводил странные опыты, чем удивлял своих учеников: он таскал по полу, то плотно свитую веревку, то ту же веревку во всю длину. Его интересовал ответ на вопрос: зависит ли сила трения от скольжения от величины площади соприкосновения в движении тел? Механики того времени были глубоко убеждены, что чем больше площадь касания, тем больше сила трения. Они рассуждали так: чем больше точек соприкосновения, тем больше сила трения. Совершенно очевидно, что на большей поверхности будет больше таких точек касания, поэтому сила трения должна зависеть от площади трущихся тел. Леонардо до Винчи усомнился в справедливости данных предположений и стал проводить опыты. Попутно он исследовал зависимость силы трения от материалов, из которых изготовлены трущиеся тела, от величины нагрузки на эти тела, от скорости скольжения и от степени гладкости или шероховатости их поверхностей. Результаты исследований представлены на таблице:

Зависимость коэффициента трения

 В 1699 году французский ученый Амонтон в результате своих опытов, пришел к несколько иным ответам на эти же вопросы. В течении XVIII и XIX веков насчитывалось до 30 исследований на эту тему. Их авторы соглашались только в одном: сила трения скольжения зависит от силы нормального давления, действующей на соприкасающиеся тела. А по остальным вопросам согласия не было. Продолжал вызывать недоумение даже у самых видных ученых экспериментальный факт: сила трения не зависит от площади трущихся тел. В 1748 году, действительный член Российской Академии наук Леонард Эйлер опубликовал свои ответы на пять вопросов о трении. В 1779 году, в связи с внедрением машин и механизмов в производство, назрела острая необходимость в более глубоком изучении законов трения. Выдающийся французский физик Кулон занялся решением задачи о трении и посвятил этому два года. Он ставил свои опыты на судостроительной верфи в одном из портов Франции. Там он нашел те практические производственные условия, в которых сила трения играла очень важную роль. Кулон на все пять вопросов ответил – да.

Предлагаю вам, сейчас открытым голосованием, используя свой жизненный опыт и знания, ответить на каждый из пунктов этой таблицы. Ваша поднятая рука будет означать – да, отказ от голосования – нет. Эти голоса я занесу в таблицу, добавив их к списку ученых и через 500 лет, после начала исследований, мы узнаем истинные причины, влияющие на силу трения.

Вывод: в первую очередь сила трения скольжения зависит от силы нормального давления, чем больше масса, тем больше сила трения. Сила трения зависит от качества обработки трущихся поверхностей, чем больше неровностей на поверхностях, тем чаще происходит зацепление их, сопровождаемое деформацией и увеличением вследствие этого силы трения. Коэффициент трения зависит также от материалов, из которых сделаны тела, и в наименьшей степени от модуля относительной скорости перемещения. Сила трения не зависит от площади соприкасающихся тел: ведь нужна одинаковая сила, чтобы сдвинуть с места или тащить с медленной скоростью широкий лист стали или такого же веса гирю, опирающуюся на поверхность лишь малой площадью. Поэтому коэффициент трения характеризует два тела трущихся друг о друга и зависит от материалов, из которых сделаны тела и от качества обработки поверхностей.

Коэффициент трения скольжения

Например, задача на использование таблицы значений для коэффициента трения, из серии “Вовочкины” задачи:

1.Вокруг школы шли ремонтные работы и рабочий устанавливал деревянную лестницу к столбу, но верхняя ступенька все время соскальзывала с деревянного столба. В это время Вовочка проходил мимо и посоветовал рабочему заменить верхнюю ступеньку лестницы веревкой или куском каната. Почему он предложил этот способ для устойчивости лестницы? (Ответы учащихся)

Ответ: Площадь соприкосновения веревки со столбом больше, чем ступеньки лестницы. Кроме того, веревка ворсиста. Все это увеличивает силу трения.

Предлагаю учащимся эксперимент: сползет или не сползет карандаш, если положить его на наклонно распложенную книгу? Это зависит от того, как расположить карандаш. Если положить вдоль уклона, карандаш даже при большом угле наклона скользить будет медленнее, чем при меньшем угле наклона будет скатываться карандаш, положенный поперек, особенно если он круглый. Катить легче, чем волочить, так как сила трения качения при прочих равных условиях всегда меньше силы трения скольжения. Именно, поэтому люди изобрели колеса. В глубокой древности о колесах не знали и даже летом грузы возили на санях или тащили волоком. Прошло немало лет прежде, чем древние инженеры догадались подложить под грузы катки, то есть заменить трение скольжения трением качения. Так для постройки памятника Петру-I в Санкт-Петербурге, громадную каменную глыбу доставили в город на катках. А иначе, постамент для памятника основателю города трудно было бы строителям тащить волоком.

Замена трения скольжения трением качения было большим шагом вперед и увеличило производительность труда. Сначала полозья заменили брусьями, затем колесами, насажанными на оси, для уменьшения трения ввели смазку между трущимися деталями. В качестве смазки могут использоваться различного вида жидкости, масла. Кроме того, чтобы происходил как можно меньший износ трущихся частей, были изобретены шариковые подшипники.

Задача на закрепление материала:

Задача 1: Вы знаете, что чтобы забить гвоздь в древесину, необходимо приложить немало усилий, но чтобы вытащить его нужно не меньше. Это можно сделать с помощью клещей. Но, что же так крепко держит гвозди в доске? Ведь поверхность гвоздя гладкая, и если он прямой, то ему нечем зацепиться за дерево! Чем можно это объяснить?

Ответ: Держит гвоздь сила трения. Когда его забивали, то заостренный конец с силой раздвигал древесные волокна, проделывая отверстие, по которому проходило тело гвоздя. Раздвинутые волокна стремятся занять свое положение и снова сдвинуться. Они со всех сторон сжимают гвоздь. Благодаря этому нажиму между поверхностью гвоздя и деревом возникает большая сила трения. Гвоздь оказывается зажатым, будто в тисках.

Задача 2: Жидкости являются смазкой при трении, и допустим, деревянное изделие с вбитыми гвоздями долго находилось под дождем или в сыром месте. Если начать вытаскивать гвозди из сырой древесины, то нужно приложить еще больше усилий, чем при вытаскивании из сухой, почему так? Ведь вода, кажется должна быть смазкой.

Ответ: Потому, что промежутки между частичками древесины, набухшей от влаги, увеличиваются, и гвоздь сильнее сжимается волокнами древесины. Значит, сила трения увеличивается.

А теперь, я предлагаю вам найти ответы на народные приметы и пословицы (дидактические пособия – карточки с пословицами). Определите, значение силы трения для каждой пословицы, и какую роль эта сила играет положительную или отрицательную.