Сила трения

1. Знакомая сила трения  
Достойна обсуждения.  
Никак подобной силой  
Нельзя пренебрегать.  
Мешает сила трения  
Любому продвижению,  
Мешает также скорость,  
Движение сохранять

2. Куда она направилась  
Ты догадался правильно! 
Не в сторону движения 
В обратную всегда 
И трения скольжения, 
И трения качения 
Препятствует движению 
Туда или сюда

3. Причина сила трения,  
Взаимозацпления  
Неровностей, поверхностей  
В движении разных тел  
Тут бугорки, царапинки  
От них ты не избавишься  
Как бы не хотел

4. Когда же отшлифованы 
Тела, от полированы, 
То друг по другу двигаться 
Казалось им легко 
Увы молекулярное 
Вступает притяжение 
И трение в этом случае  
Особо велико.

5. Выходит, нет сомнения 
Зловредна сила трения 
Но делать общий вывод 
Не следует спешить. 
Без силы этой трения, 
В разнос пойдет движение 
И без нее не сможешь ты 
Ни бегать, ни ходить

Вопрос о том, что будет, если исчезнет сила трения, беспокоит многие пытливые умы. По разным оценкам, на преодоление трения и устранение его разрушительных последствий затрачивается примерно 5-10% всей работы, совершаемой человечеством.

Можно предположить, что исчезновение силы трения привело бы к резкому уменьшению потерь энергии, шума, износа машин, двигателей, станков, прочих механизмов. 
 
Между тем, физики утверждают, что в этом случае в мире наступил бы полный хаос: 
- движущиеся автомобили, поезда, трамваи, любые другие транспортные средства не смогли бы остановиться, а стоящие – никогда не тронулись бы с места; 
- развязались бы все узлы на нитках, веревках, канатах; 
- смычки больше не смогли бы извлекать звуки из виолончелей, альтов и скрипок – впрочем, это, пожалуй, наиболее безобидное проявление того, что будет, если исчезнет сила трения; 
- гайки начали бы раскручиваться сами собой, а гвозди и шурупы выскользнули бы из стен. 
Кроме того, в условиях отсутствия силы трения любой звук никогда бы не затихал, бесконечно отражаясь эхом от препятствий, ни единой вещи нельзя было бы удержать в руках, не прекратился бы ни один вихрь. Наконец, ни одно физическое тело – от мельчайшей песчинки до огромной каменной глыбы – не смогло бы удержаться на другом: все тела начали бы скользить и катиться до тех пор, пока не оказались бы на одном уровне. Финальной стадией того, что будет, если исчезнет сила трения, станет превращение нашей планеты в шар без единой неровности – такую форму обретает жидкость в невесомости. 
Итак, теперь мы знаем, что будет, если исчезнет сила трения: совершенно очевидно, что последствия были бы весьма безрадостными для человечества.

 
Как же нам всем надоела эта сила трения! Из-за нее нам постоянно приходится покупать новую обувь, новые колеса, бесконечное количество запчастей на автомобиль. Да и просто мешает постоянно, куда ни посмотри. Как было бы хорошо, если бы она совсем исчезла! А если подумать, на самом ли деле стало бы лучше? Представим такую картину. 
 
Выходим мы утром из нашей пока еще обычной квартиры на улицу, где нет трения, и что видим? Первым делом мы хорошо приложимся затылком о землю, потому что трения между подошвой ботинок и землей больше нет. Идеальный гололед, чего ж еще мы ожидали? После падения мы начнем все быстрее скользить по направлению наклона улицы, если только не попадем в «карман» из каких-нибудь конструкций, откуда просто нет возможности скатиться. Кроме нас, по улице будет катиться все, что прочно не закреплено, то есть не вкопано в землю. Это все люди, животные, мусорные баки и сам мусор, автомобили… Представляете, какая свалка будет в том месте, где это все найдет наконец-то препятствие? Мало того, это будет трагедия, ведь людей будет просто убивать налетающими на них большими предметами, а встать и убежать они будут просто не в состоянии. 
 
Допустим, докатились мы до прочно стоящего автомобиля, прижатого к стене, забрались туда. Поехали… Не тут–то было! Даже если отбросить тот факт, что сцепление автомобиля работает на силе трения, чтобы передавать крутящий момент на ведущий мост, мы все - равно не сможем ехать. Колеса будут крутиться, а автомобиль будет стоять на месте в силу своей инерции. Так что тут-то мы и застрянем. 
 
Что еще может произойти без силы трения? Например, все узлы развяжутся, а применяют их не только на шнурках, но и в некоторых вполне серьезных конструкциях. Шуруп или болт, закрученный вверх, под действием своего или прикрепленного к нему веса самостоятельно вывернется. Можно представить, сколько всего обрушится на землю – может быть, даже наш автомобиль, на котором мы собирались ехать, или соседний дом. С гор скатятся все камни и сойдут все лавины. Вследствии вращения Земли непонятно, как поведут себя моря и океаны – может они просто размажутся равномерно по всей поверхности планеты? А может быть, мы бы до сих пор жили в пещерах, ведь огонь получается с помощью трения? 
 
Всего этого не происходит благодаря силе трения. Да, человек борется с нею всеми способами, но только там, где она не нужна. Бывают случаи, когда мы сами ее увеличиваем. Простейший пример – увеличенные протекторы на ботинках или шипованная резина на автомобиле.  
 
Однако всего этого не произойдет все-таки по одной простой причине – любые поверхности не идеальны. Любая имеет впадины и выемки, в основном довольно крупные. Поэтому даже при полном исчезновении силы трения, эти неровности частично ее заменят. Они сыграют роль «крючков», для преодоления сопротивления которых потребуется приложить некоторую силу. Эта сила сопоставима с силой трения. Поэтому мы все-таки имеем шанс не скатиться вниз по улице, если только не надели идеально гладкую одежду. 
 
Конечно, хорошо бы избавиться от силы трения, но только частично, в нужных местах. Совсем не обязательно бросаться в крайности и убирать что-то совсем. К чему это может привести, мы уже видели. 
Целью работы является исследование силы трения. В ней я выясняю причины возникновения силы и определяю её физические характеристики. 
Методы исследования: изучение теоретического материала и проведение экспериментов по проверке важнейших зависимостей.  
 Выводы сделаны на основе экспериментальных исследований, которые были проведены с помощью лабораторного оборудования.  
Трение, хотя и изучается в 7 классе, остается одним из самых трудных вопросов естествознания. Похоже, что это сделано не случайно. Ведь сила трения проявляется во всех областях нашей жизни. Знания о том, что тормозной путь автомобиля большой, а в гололёд сила трения крайне мала, помогут нам избежать травм. 
 В работе я описываю виды трения и причины возникновения каждого из них. 
В исследовании  собраны данные о новых открытиях в этой области  и  о применении этих открытий.   Особый интерес представляет раздел «Трение в живой природе». Как мудро всё устроено в нашем мире! Каждое животное использует силу трения для того, чтобы быстрее двигаться, крепче держать добычу. При этом решая важную задачу его регулирования. Ведь трение не всегда наш помощник, во многих случаях с ним приходится бороться.  В этом разделе мною  собраны интересные данные  о способах, которые используют животные для передвижения. В  нём много фотографий и рисунков. В разделе «Торможение автомобиля» рассказываю о том,  как непросто происходит этот процесс.  Важность данного вопроса заключается в обеспечении нашей безопасности, так как без транспорта невозможно обойтись ни в одной области человеческой деятельности. Много собрано интересного материала по всем разделам представленной работы. 
Мною выяснено, что нет общего закона, описывающего трение в жидкой среде, а также то, что силы сопротивления определяются экспериментально для каждого случая.  

Введение.

 
Нам необыкновенно  повезло, что мы живём в век, 
 когда ещё можно делать открытия. 
Э. Роджерс

Трение встречается буквально  на каждом шагу, без него и шага не сделаешь. Держу ручку в руке —  трение, стоят на столе всякие предметы, не соскальзывают — трение; гвозди держат полку с книгами, не вылезают из стены — трение. Куда не бросишь  свой взгляд, кругом трение, трение, трение... 
Трение поругивают, когда оно препятствует движению, похваливают, когда трение способствует движению. К трению привыкли за 400 лет (со времени его открытия), увеличивают или уменьшают его, когда это необходимо, и не удивляются самому факту существования трения везде и всюду, во всех явлениях природы.  
Почему с сумками в руках по скользкой дороге идти легче? Почему звучит скрипичная струна, когда по ней ведут смычком? Ведь смычок движется, а колебания струны периодические.Почему   бегуны-спринтеры   бегают   в   шиповках,    а стайеры—в мягкой обуви (а то и босиком!)? Сухое мыло не выскальзывает из сухих рук, а мокрое из мокрых частенько. Почему?  
Ответы на все эти и многие другие важные вопросы, связанные с движением тел, дают законы трения. 
Трение и по сей день остается одним из самых крепких орешков естествознания. Один из астронавтов США, будучи на Луне, попробовал прыгать, подобно зайцу, и заметно увеличил скорость.  В некоторых видах спорта и играх для детей оценка трения влияет на результат решающим образом. Многочисленные механизмы трения описаны лишь в самых общих чертах, не говоря уже о том, что количественное описание трения настолько приблизительно, что, не доверяя ему, инженеры прибегают к прямому опыту. 
В своей работе я попытаюсь разобраться в причинах трения и способах его изменения. Главной своей задачей ставлю раскрыть тайны знакомой нам с детства силы трения.  

II. Причины  возникновения трения и его  виды.

 
Санки, скатившись с горы, движутся по горизонтальному пути неравномерно, скорость их постепенно уменьшается, и  через некоторое время они  останавливаются. Мальчик, разбежавшись, скользит на коньках по льду, но, как  бы ни был гладок лед, он все-таки останавливается. Мы знаем, что причиной всякого изменения  скорости движения  является сила. Значит, и в рассмотренных примерах на каждое движущееся тело действовала сила  трения. Силой трения  называется сила, возникающая при соприкосновении поверхностей двух тел и препятствующая их взаимному перемещению. Она приложена к телам вдоль поверхности их соприкосновения и направлена всегда противоположно относительной скорости перемещения. 
Одна из причин возникновения силы трения являете шероховатость поверхностей соприкасающихся тел. Даже гладкие на вид поверхности тел имеют неровности, бугорки и царапины. Когда одно тело скользит или катится по поверхности другого, то неровности цепляются друг за друга, что создает некоторую задерживающую движение силу. 
Другая причина трения — взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел. 
Возникновение силы трения обусловлено главным образом первой причиной, когда поверхности тел шероховаты. Но, ecли поверхности тел хорошо отполированы, при соприкосновении часть их молекул располагается очень близко друг к другу. В случае начинает заметно проявляться притяжение между молекулами соприкасающихся тел. 
Силу трения можно уменьшить во много раз, если ввести между трущимися поверхностями смазку. Слой смазки разъединяет поверхности трущихся тел. В этом случае соприкасаются не поверхности тел, а слои смазки. Смазка же в большинстве жидкая, а трение слоев жидкости меньше, чем твердых поверхностей. 
Различают внешнее (сухое) и внутреннее (жидкое или вязкое) трение. Сухое трения делится на трение покоя, трение скольжения и трение качения. 
Внешним трением называется взаимодействие между поверхностями двух соприкасающихся твердых тел. Если эти тела неподвижны друг относительно друга, то говорят о трении покоя; при относительном перемещении говорят о трении скольжения, или кинематическом трении. В случае, когда одно из тел катится по поверхности другого без проскальзывания, возникает особый вид сопротивления,  называемый трением качения. 
Внутренним трением называется взаимодействие, возникающее между слоями жидкости или газа, движущимися друг относительно друга. В отличие от внешнего трения, здесь отсутствует трение покоя.

Если тело, например, просто лежит на горизонтальной поверхности, то сила трения на него не действует. Трение возникает, если попытаться сдвинуть тело, приложить к нему силу. Пока величина этой силы не превышает определённого  значения, тело остаётся в покое  и сила трения равна по величине и противоположна по направлению  приложенной силе. Затем начинается движение.  
Fтр = k . N  - формула силы трения, где k - коэффициент трения,  N- нормальное давление. 
Поверхность твёрдого тела обычно обладает неровностями. При сжатии тел соприкосновение происходит только в самых высоких местах и площадь контакта значительно меньше общей площади соприкасающихся поверхностей. Давление в местах соприкосновения может быть очень большим и  возникает пластическая деформация. При этом площадь контакта увеличивается, а давление падает.  
Силу трения покоя, равную по модулю той внешней силе, npи которой начинается скольжение данного тела по поверхности другого, принято называть максимальной силой трения покоя. На рисунке 1 (см. приложение I),  показано направление силы трения. На шуточной диаграмме 1 (см. приложение II), зависимость силы трения от вида поверхности и силы нормального давления. 
Скольжение возникает в том случае, если внешняя сила становится равной или превосходящая по модулю максимальную силу трения покоя.  Эта особенность присуща только сухому трению. В случае жидкого трения  порога для внешней силы не существует.  
 Чем же определяется максимальная сила трения покоя? Для этого я провела серию экспериментов по измерению  силы трения при различных условиях: изменяла силу, прижимающую брусок к поверхности стола, заменяла материал, из которых изготовлены бруски, а также степень обработки поверхностей. 
 В результате опытов установила следующие закономерности: 
1 .Сила трения прямо пропорциональна силе нормального давления. 
(См. таблицу 1, стр. VIII. Зависимость силы трения от силы нормального давления.). 
2.   Сила трения не зависит от площади контакта между двумя поверхностями. 
 (См. таб.2      Зависимость силы трения от площади контакта). 
3.Коэффициент трения зависит от свойств поверхностей. 
(См. таб. 3  «Зависимость силы трения от материала» и «Зависимость силы трения от качества обработки поверхностей»). 
Именно силу трения скольжения нужно компенсировать при равномерном  движении тел по горизонтальной поверхности, сжигая топливо в двигателях. Трение в этом случае — это не трение колес о землю (здесь трение покоя, если колеса не проскальзывают), оно «спрятано» в осях колес, деталях механизма. К трению добавляется и сопротивление воздуха. Силу сопротивления движению автомобиля оценить теоретически очень сложно, и её определяют  с помощью моделей практически. При торможении автомобилей и поездов к колесам прижимаются тормозные колодки и сила трения возрастает. 
Сила трения при скольжении твёрдых тел зависит не только от свойств поверхностей и силы давления (это зависимость качественно такая же, как для трения покоя), но и от скорости движения. Часто с увеличением скорости сила трения сначала резко падает, а затем снова начинает возрастать. 
Эта важная особенность силы трения скольжения как раз и объясняет, почему звучит скрипичная струна. Вначале между смычком и струной нет проскальзывания, и струна захватывается смычком. Когда сила трения покоя достигнет максимального значения, струна сорвется, и дальше она колеблется почти как свободная, затем снова захватывается смычком. 
Подобные, но уже вредные колебания могут возникнуть при обработке металла на токарном станке вследствие трения между снимаемой стружкой и резцом. При обработке металла приходится выбирать специальную форму резца, смазку и т.п.. Так что важно знать законы трения и уметь ими пользоваться. 
Ничтожное трение на льду, приводящее к многочисленным травмам, может быть успешно использовано технически. Строили так называемые ледяные дороги, которые устраивали для вывозки леса с места рубки к железной дороге или к пунктам сплава. На такой дороге, имеющей гладкие ледяные рельсы, две лошади тащат сани, нагруженные 70 тоннами брёвен. 
Происхождение трения качения можно наглядно представить себе так. Когда шар или цилиндр катится по поверхности другого тела, он немного вдавливается в поверхность этого тела, а сам немного сжимается. Таким образом, катящееся тело всё время как бы вкатывается на горку. Сзади колес деформация плоскости не исчезает или исчезает спустя некоторое время.  Чем твёрже поверхности, тем меньше вдавливание и тем меньше трение качения. Например, при качении стальных колёс по стальным рельсам трение качения примерно в 100 раз меньше, чем трение скольжения. Поэтому в машинах стремятся заменить трение скольжения трением качения, применяя так называемые шариковые или роликовые подшипники. На рисунке 2 (см. приложение III) показано возникновение силы трения качения. 
Кроме сухого трения существует ещё так называемое жидкое трение, возникающее при движении твёрдых тел в жидкостях и газах и связанное с их вязкостью. В жидкости можно заставить тело двигаться, прикладывая даже очень маленькую силу. Например, тяжелую баржу на воде человек может привести в движение, отталкиваясь то дна шестом, а на земле такой груз ему, конечно, не сдвинуть. При движении тела на него со стороны жидкости или газа действуют силы, направленные навстречу движению. Эти силы называют сопротивлением среды. Особенностью сил трения в жидкости или газе является отсутствие трения покоя. 

Для уменьшения трения между  движущимися частями машин и  механизмов используется смазка –  слой вязкой жидкости, заполняющий  пространство между трущимися поверхностями  и

оттесняющий их друг от друга. Это приводит к существенному  уменьшению нагрева и износа деталей.

 
IV. Торможение  автомобиля.

 
Характер движения автомобиля определяется прежде всего характером взаимодействия его колес с дорогой. Здесь  имеются своеобразные неожиданности. Удивляет тот факт, что  сила трения покоя разгоняет автомобиль. Ведь при движении автомобиля колеса не проскальзывают относительно дороги, и между шинами и поверхностью дороги возникает сила трения покоя.  Хорошей иллюстрацией того, что при трении резины о дорогу не  выполняются некоторые законы, справедливые для трения твердых тел, может служить рис.6, на котором изображена эволюция профиля гоночных шин. За шесть лет  (с 1966 по 1972) отношение высоты профиля шины кее ширине уменьшилось с 0,6 до 0,3. Благодаря этому увеличилась площадь контакта с дорогой,  а также улучшилось сцепление колеса с дорожным полотном. Для твердых тел увеличение площади соприкосновения не приводит к заметному увеличению силы трения. Для шин всё обстоит по-другому: благодаря своей эластичности шина вдавливается в углубления поверхности дороги, что приводит к  увеличению площади контакта и увеличивает силу сцепления с дорогой, Ясно, что чем мягче резина покрышки, тем заметнее эффект. Для увеличения площади контакта профилю протектора часто придают вогнутую форму. После накачивания профиль выпрямляется, иповерхность катания становится цилиндрической формы, что дает максимальную площадь контакта с дорогой. 
При резком торможений автомобиля его колеса перестают вращаться и начинают скользить по дороге. Возникающая при этом сила трения тормозит автомобиль и  он останавливается. Путь, проходимый автомобилем от момента полного срабатывания тормозной системы до полной остановки, называется тормозным путем. На стр.     приводится таблица,  в которой имеются данные по зависимости тормозного пути автомобиля от его массы и скорости. 
Разрушение приводит к качественным изменениям характера трения.  При скольжении по асфальту шина оставляет за собой черный след. Этот след образуется в результате «скатывания» частиц шины при торможении.  Особенно сильно предрасположенность к износу  проявляется у мягких резин.  Если резина разрушается, то от покрышки начнут отрываться кусочки резины, по которым колесо начинает катиться. Из-за этого сила трения резко уменьшается. Становится понятным, почему тяжелые автомобили имеют больший тормозной путь, чем легкие: при большей силе давления процесс разрушения идет интенсивнее,  между колесом и асфальтом образуется больше круглых частиц резины.  
Переходя дорогу в неположенном месте полезно помнить о тормозном пути автомобиля, который зависит от начальной скорости и коэффициента трения. На летней сухой дороге для  массой 5 тонн и скоростью 72 км/час он составляет 40 м.