Зміст
Ми щодня стикаємось із силою тертя, тому добре розуміти це явище. На жаль, фізика є бідою багатьох студентів. Це одна з найскладніших галузей науки – потрібно не тільки розумітися на фізиці, а й добре володіти математикою. Але найголовніше – це розуміти поняття і явища, описані у фізиці, тому сьогодні ми вирішили розповісти вам про силу тертя.
ЩО ТАКЕ ТЕРТЯ?
Тертя є одним із видів опору руху. Найпростіший спосіб уявити це — уявити собі їзду на велосипеді — коли ви перестаєте крутити педалі, велосипед починає сповільнюватися. Фізичною мовою ми б використали таке пояснення: фізична зустріч двох тіл, які важко рухаються одне відносно одного і триває до тих пір, поки хоча б одне з тіл не зупиниться. За всю цю операцію відповідає опір руху – сила тертя. Ця сила заважає тілам рухатися.
Повертаючись до прикладу з велосипедом, існує дві опори:
- шини проти асфальту (обидві поверхні мають нерівності, які викликають тертя);
- велосипед з вершником відносно повітря.
- статичне тертя – стосується тіл, які рухаються зі свого місця – наприклад, переміщення шафи;
- динамічне тертя – під час руху, наприклад, їзди на велосипеді.
У фізиці ми частіше маємо справу з динамічним тертям, тому що, як правило, тіло важче привести в рух. Тому в розрахунках статичне тертя зазвичай більше, ніж динамічне (для руху тіла потрібна більша сила).
На цьому етапі ми повинні зазначити, що кожне тіло (річ чи людина), яке рухається, має відношення до сил тертя, ми розрізняємо такі сили опору:
- переміщення тіла/поверхні відносно іншого, наприклад колеса на асфальті;
- переміщення тіла відносно повітря, наприклад літака, що летить;
- переміщення тіла відносно води, наприклад вітрильне судно.
Сила тертя залежить від:
- швидкість тіла, яке рухається – чим більша швидкість, тим більше тертя;
- тип поверхні – в природі не існує тіл з однаково гладкими поверхнями. Хоча це не завжди видно неозброєним оком, приблизно всі поверхні мають деяку шорсткість, яка спричиняє тертя при їх контакті.
Крім тертя, два тіла повинні бути направлені в протилежні сторони.
Але фізика – це не тільки теорія, але ще й математика і маса формул. Відповідно, також існує формула для розрахунку сили тертя:
Fn=m g[N]
Фізика часто не дуже вдячний предмет – у багатьох учнів з нею проблеми – на жаль, нерозуміння попередніх розділів призведе до подальших проблем. Тому, якщо ви належите до цієї групи людей, радимо вам скористатися пропозицією репетиторів.
СИЛА ТЕРТЯ НА ПРАКТИЦІ – КІЛЬКА ПРИКЛАДІВ
Кожне явище легше зрозуміти, коли його втілити в життя. Тертя є різновидом розсіювання енергії – це відбувається через виділення тепла внаслідок тертя (під дією тертя може відбуватися і руйнування). Сила тертя має велике значення в природі, техніці та пристроях, зокрема:
- гальмування тіла, наприклад автомобіля, велосипеда чи поїзда
- тертя також дозволяє писати або прати;
- дозволяє ходити;
- необхідні для правильної роботи механічних пристроїв, наприклад, зчеплення в транспортних засобах;
- тертя викликає звучання струнних інструментів;
- були винайдені парашути;
- легший механізм
Однак у тертя є і недоліки. Найкращим прикладом може бути запуск ракети в космос – сила тертя уповільнює її швидкість і викликає її нагрів (що особливо небезпечно). Внаслідок тертя різні механізми також можуть стиратися, що, у свою чергу, призводить до поломки – таким явищам запобігає, серед іншого, мастильні матеріали.
Однак ми повинні розуміти, що без тертя було б неможливо зупинити транспортні засоби в русі.
Як бачите, сила тертя має велике значення в нашому житті. Протягом багатьох років ми навчилися використовувати його або запобігати його впливу – залежно від того, якого ефекту ми хочемо досягти або запобігти.
СТАТИЧНЕ І ДИНАМІЧНЕ ТЕРТЯ
Статичне тертя дещо відрізняється від динамічного. Статичне тертя інакше є тертям спокою. Це змушує тіла взаємодіяти одне з одним, але в спокої. Воно сильніше за динамічне тертя, тому що нам потрібна більша сила, щоб утримувати тіло в стані спокою. Маємо справу, коли початкова швидкість тіла дорівнює нулю. Деякі приклади:
- корінь рослини в землі;
- окуляри на носі;
- замітки;
- сорочки на плечиках;
- краплі води на вікні;
- рух ліфта.
Динамічне тертя трохи інше. Там сказано, що будь-яке тіло в русі стикається з тертям (кінетичним чи іншим). Деякі приклади:
- катання на ковзанах;
- плавання;
- пилососити;
- проведення картки в терміналі;
- розчісування шкіри;
- їзда на велосипеді;
- використання комп’ютерної миші на планшеті;
Формула сили тертя
Як вирішувати завдання з фізики на силу тертя
Рух тіла поверхнею іншого тіла завжди пов’язані з подоланням сили тертя. Наскільки вона уповільнює пересування? В яку сторону спрямовано? Чи залежить від присутності між поверхнями рідини, що стикаються? Це питання, куди відповідає спеціальний розділ фізики.
Сила тертя – що це за показник?
Дотик двох поверхонь незмінно веде до появи сили тертя. Її величина залежить від стану тіл та особливостей їх руху :
- між нерухомими тілами є тертя спокою;
- що перекачуються – тертя кочення;
- ковзними – тертя ковзання;
- в рідкому середовищі такий процес зветься сили опору середовища.
Сила, поява якої залежить від дотику двох поверхонь, називається силою тертя.
Інакше кажучи, кожен поверхневий рух тим слабше, що вища тертя стикаються сторін . Пояснюється це тим, що сила тертя завжди спрямована проти цього руху і поширюється на площину, спрямовану по дотичній.
Для розуміння цього процесу важливо спиратися на прямо пропорційну залежність сили нормального тиску і властивостей поверхонь, що стикаються. Вона, своєю чергою, пояснюється існуванням електромагнітного поля певної величини.
Природно, що тертя, що виникає всередині механізмів, має назву внутрішнього , зовні – зовнішнього . Так, якщо працюючий прилад не рухається у просторі, у ньому виникають внутрішні сили тертя. Якщо він переміщається щодо інших тіл, він має долати зовнішню силу тертя.
Дія сили тертя можна спостерігати на прикладі:
Тіло на горизонтальній поверхні, за відсутності на нього сторонніх сил, лежить нерухомо. Починаючи застосовувати якусь силу руху Fдв відбувається спроба зрушити його з місця.
Спочатку це вдається через те, що Fтр перевищує величину зовнішньої сили. Збільшуючи модель останньої, домагаються врівноваження, а потім перевищення сили руху. В даному випадку сила тертя — це сила спокою.
Навіть максимальне тертя не визначається площею поверхонь тіл, що стикаються, але залежить від сили
N (нормальний тиск) та коефіцієнта тертя спокою
μ 0
0.
Fт рп о к =μ0Nтрппродо=0
Продовжуючи збільшувати тиск, домагаються того, що тіло починає ковзати . Тепер за його руху діє сила тертя ковзання, на подолання якої також має вистачати значення зовнішньої сили.
Якщо предмет круглої форми, що розглядається, його рух супроводжується силою тертя кочення. Коефіцієнт тертя у своїй набагато менше, хоча особливості процесу ідентичні.
Тіло, що знаходиться на поверхні під нахилом, відчуває на собі вплив додаткової сили – сили опори.
Поняття та визначення, в яких одиницях вимірюється
Класичною формулою для визначення Fтр предмета, що лежить на горизонтальній опорі, є:
F=k ∗ N�=�∗�
деk�- коефіцієнт тертя. Це постійна величина, яка відображається у спеціальних технічних таблицях і залежить від природи речовини.
N�- Реакція опори.
Коефіцієнт k може зустрічатися у вигляді букви mu.
Крім нього важливо правильно визначити реакцію опори. Вона обчислюється за такою формулою:N= m ∗ g,�=�∗�,деm�- Відома маса тіла, g – Показник вільного падіння, рівний 9,8 м / с 2 .
Предмет, що здійснює рух по похилій поверхні, відчуває на собі вплив кількох сил. Тому формула для його Fтр набуває вигляду:
Fт р =k∗m∗g∗ cosα�тр=�∗�∗�∗cos�
У формулі використовується постійна гравітаційна g. Її величина дорівнює 9,8 м/ с2 .
Для вимірювання сили тертя СІ існує одиниця Н (Ньютон). У системі CГС вона вимірюється в дінах (дин).
Виразити значення одиниці Ньютон можна формулою:
H= до г ∗ м / с 2�=дог∗м/з2
Завдання на силу тертя, вирішення типових прикладів
Завдання на тему «Сила тертя» можуть мати різні напрямки:
- На визначення сили тертя.
- На визначення коефіцієнта тертя.
- На визначення сили тертя спокою.
- На визначення сили тертя ковзання.
- На визначення коефіцієнта тертя ковзання.
Приклад №1
Маса тіла, що знаходиться на столі, складає5 до р . µ = 0 , 25дог.µ=0,2. До тіла додають зовнішню силу, рівну2 , 5 Н2,5Н. Яка сила тертя у своїй виникає (за модулем)?
Рішення: за формулою для максимальної сили тертя Fм а к ст р =μmg= 0 , 2 ∗ 5 ∗ 10 = 10 Н�мадозтр=���=0,2∗5∗10=10Н
Зовнішня сила за умовою завдання менша, максимальна, тому тіло перебуває в спокої. Fтр врівноважує зовнішню силу. Отже, вона дорівнює2 , 5 Н .2,5Н.
Приклад №2
Брусок із металу важить 4 кг і лежить на горизонтальній поверхні. Відомо, що посунути його можна, доклавши силу 20 Н, що має горизонтальний напрямок. Якщо на цю поверхню покласти предмет із пластику з масою 2 кг, необхідна сила значно зміниться. Якій величині вона дорівнюватиме, якщо коефіцієнт тертя пластикового предмета в 2 рази менше металевого.
Рішення:
На брусок з металу діє сила згідно з формулоюF1 = m 1 ∗ g∗µ 1�1=�1∗�∗µ1, на пластиковий -F2 = m 2 ∗ g∗µ 2= µ 1 / 2m2∗g�2=�2∗�∗µ2=µ1/2�2∗�.
На початку діїF= Fт р�=�тр.
Формула, що дозволяє вирішити завдання, має такий вигляд:F2 = F1 / 2 ∗ m 2 / m 1 = 1 / 2 ∗ 20 ∗ 2 / 4 = 5 Н�2=�1/2∗�2/�1=1/2∗20∗2/4=5Н.
Приклад №3
Санки важать 5 кг. При ковзанні по горизонтальній поверхні на полозья діє сила тертя 6 Н. Визначити коефіцієнт тертя, якщо прискорення вільного падіння у цій ситуації дорівнює 10 м/с 2 .
Рішення: при ковзанні полозів санок поверхнею сила тертя ковзання обумовлюється силою реакції опори, і навіть коефіцієнтом µ. Формула має такий вигляд:F=µ N�=µ�. З іншого боку, другий закон Ньютона диктує, щоN= m g�=��. Звідси випливає, щоµ =F/ mg_= 6 H/ 5 к г ∗10 м / с 2=0,12µ=�/��=6�/5дог∗10м/з2=0,12.
Приклад №4
Тіло має масу 5 кг. Воно здійснює рух у горизонтальній площині. При цьому сила тертя становить 10 Н. Визначити величину сили тертя ковзання за умови, що маса зменшиться на 2 кг, а коефіцієнт залишиться без змін.
Рішення: сила тертя має формулуF=µ ∗N�=µ∗�. Якщо тіло рухається горизонтально по опорі, згідно з другим законом Ньютона, йогоN�дорівнює творуm ∗ g�∗�.
Виходячи з цього,Fт р�тр буде пропорційна масі, помноженій наµµ. При незмінному коефіцієнті тертя зменшення маси тіла в 2 рази призведе до зменшення сили тертя ковзання також у 2 рази. Тому:
10 H/ 2=5H.10�/2=5�.
Приклад №5
Тіло, що рухається рівною горизонтальною площиною, тисне на неї з силою 20 Н. Сила тертя при цьому становить 5 Н. Визначити величину коефіцієнта тертя ковзання.
Рішення: ОскількиF=µ ∗P, µ =Fт р / P�=µ∗�,µ=�тр/�. Підставляючи значення, отримуємо розрахунок:5 Н / 20 Н = 0,25 . _5Н/20Н=0,25.
Відповідь:µ =0,25µ=0,25.