Підручник Фізика 7 клас - Пістун П. Ф. - Навчальна книга - Богдан 2015 рік

Розділ ІІІ ВЗАЄМОДІЯ ТІЛ. СИЛА

§32. Сила тертя

✓ Наведіть приклади явищ, в яких проявляється дія сили тертя.

1. Уявіть рух автомобіля по шосе з вимкнутим двигуном, рух санчат, які з’їхали з льодяної гірки і далі продовжують рух по горизонтальній ділянці, або кульки, яка скотилася з похилої площини і продовжує рухатися по столу. Ці рухи не будуть довго продовжуватися. Швидкості цих тіл поступово зменшуватимуться, і тіла незабаром зупиняться.

Ви знаєте, якщо швидкість руху тіла змінюється, то на тіло діє якась сила. У наведених прикладах на кожне з тіл діє сила, яка перешкоджає їхньому рухові, гальмує їх.

Силу, яка виникає під час руху одного тіла по поверхні іншого і напрямлену проти напряму швидкості руху тіла, називають силою тертя

Однією з основних причин виникнення сили тертя є шорсткість поверхні тіл, що дотикаються. Пригадайте, як рухається шайба або м’яч по поверхні льоду, і порівняйте з їхніми рухами по землі або асфальту. Очевидно, що по гладенькій поверхні тіло рухається до зупинки значно довше, ніж по шорсткій. Отже, сила тертя у першому випадку набагато більша, ніж у другому. Шорсткість обумовлена як макронерівностями поверхні, так і її мікронерівностями. Якщо значно зменшити розміри макронерівностей, відшліфувавши поверхні, то сила тертя повністю не зникне.

Існують різні види тертя. Звичайно говорять про тертя ковзання, тертя кочення і тертя спокою.

На брусок, який рухається поверхнею стола (рис. 86, а), діє сила тертя, що виникає між поверхнями бруска і стола, які дотикаються. Цю силу тертя називають силою тертя ковзання.

Рис. 86

Якщо покласти брусок на візок і привести його в рух, то тертя виникає між колесами візка, що обертаються, і поверхнею стола (рис. 86, б). Це вже буде тертя кочення. Вимірявши сили тертя у цих двох випадках, можна переконатися, що сила тертя кочення значно менша за силу тертя ковзання. Про цей факт люди знали тисячі років тому. Наприклад, для того, щоб переміщати важкі предмети, під них підкладали колоди (рис. 87). Такий спосіб використовується і сьогодні.

Рис. 87

Якщо потрібно зрушити з місця якийсь важкий предмет (рис. 86, в), доводиться прикладати немалі зусилля, оскільки сила тертя, що виникає між тілом і поверхнею, заважає рухові. Це тертя називають тертям спокою. Сила тертя спокою напрямлена проти того руху, який повинен був би виникнути, і дорівнює прикладеній силі. Найбільше значення сили тертя спокою дорівнює силі тертя ковзання.

Силу тертя можна виміряти. Наприклад, щоб виміряти силу тертя ковзання, що діє на дерев’яний брусок, прикріпимо до бруска динамометр і будемо його рівномірно переміщати зі швидкістю (рис. 88). На брусок у горизонтальному напрямі будуть діяти дві сили — сила тертя ковзання і сила пружності динамометра (сила тяги). Динамометр вимірює силу тяги

Але рівномірний рух бруска можливий лише за умови, що рівнодійна цих сил дорівнює нулю. Отже, ці сили рівні за модулем. Тому показ динамометра водночас є і значенням сили тертя ковзання

Рис. 88

Продовжимо дослід і спробуємо з’ясувати, від чого залежить сила тертя. Будемо поступово навантажувати брусок, кладучи на нього додаткові вантажі, наприклад, гирки. Ми переконаємося, що при цьому сила тертя буде також збільшуватися. Чим з більшою силою брусок буде притискатися до поверхні стола, тим більшою буде сила тертя ковзання. Силу, яка діє перпендикулярно до поверхні дотикання тіл, називають силою нормального тиску.

її позначають літерою N. У випадках, коли тіло рухається по горизонтальній поверхні, як брусок у нашому досліді, сила нормального тиску дорівнюватиме вазі бруска (Рбр). Якщо брусок навантажений, то сила

нормального тиску дорівнюватиме сумі ваги бруска і ваги покладених на нього гир (Рг):

N = Рб + Рг.

Тобто, з дослідів випливає, що сила тертя ковзання прямо пропорційна силі нормального тиску:

Fтер = µN,

де ц — коефіцієнт пропорційності, який називається коефіцієнтом тертя ковзання. Як видно з останньої формули, коефіцієнт тертя ковзання двох поверхонь, що дотикаються, дорівнює відношенню сили тертя до сили нормального тиску:

µ =

Сила тертя ковзання залежить не тільки від якості оброблення поверхонь, що дотикаються, але й від матеріалу, з якого виготовлені тіла. Один і той самий брусок, що рівномірно ковзає спочатку по поверхні скла, а потім по дерев’яній дошці, зазнає різного тертя. Як показують досліди, сила тертя, що виникає у першому досліді, (Fтер1) буде меншою, ніж у другому (Fтер), тoбтo, Fтер1 < Fтер2. Оскільки Fтер1 = µ1N, а Fтер2 = µ2N то можна зробити висновок, що і коефіцієнти тертя ковзання різні:

µ1 < µ2.

Отже, коефіцієнт тертя ковзання залежить від речовин, з яких виготовлені тіла, і стану їхніх поверхонь. Відповідні досліди також показують, що коефіцієнт тертя дуже слабо залежить від площі стикання поверхонь і від їхньої відносної швидкості руху. Деякі значення коефіцієнтів тертя ковзання наведені у таблиці 6.

Таблиця 6

Наближені значення коефіцієнтів тертя ковзання

Дерево по дереву

0,33

Дерево по металу

0,20 - 0,50

Дерево по льоду

0,035

Сталь по льоду (ковзани)

0,015

6. Тертя відіграє дуже важливу роль і в природі, і в техніці. Воно може бути як корисним, так і шкідливим.

Без тертя ніхто і ніщо не могло б рухатися по Землі — ні люди, ні тварини, ні машини. Пригадайте, де легше йти: по льоду чи по шорсткому асфальту? Тому й посипають піском дороги і тротуари під час ожеледиці.

Дійсно, якби не існувала сила тертя спокою, ноги пішоходів ковзали б назад, колеса автомобіля чи тепловоза прокручувалися б на місці й узагалі весь транспорт забуксував би і не зміг зрушити з місця. Щоб збільшити силу тертя спокою, поверхню коліс автомобілів роблять ребристою, а у випадках, коли дорога буває особливо ковзкою, на колеса надягають спеціальні ланцюги.

Сила тертя спокою — це та сила, яка змушує рухатися автомобіль уперед (рис. 89). Внаслідок обертання колеса виникає сила тертя спокою з якою воно штовхає дорогу назад. Це призводить до появи іншої сили тертя спокою (сили тяги автомобіля з якою дорога штовхає автомобіль уперед.

Тертя може приносити і велику шкоду. Так, унаслідок дії тертя ковзання нагріваються і зношуються рухомі частини різних машин і механізмів. Для зменшення тертя між поверхнями, що труться, їх змащують або використовують різні підшипники. При змащуванні ці поверхні роз’єднуються. У цьому випадку виникає сила тертя між шарами рідини (мастила), а вона значно менша, ніж тертя між поверхнями твердих тіл.

Рис. 89

Підшипники використовуються в різних машинах і верстатах, які мають деталі, що обертаються.

7. Розглянемо детальніше будову і принцип дії різних підшипників, без яких неможливо уявити сучасний транспорт і промисловість.

Підшипники можна поділити на дві основні групи: підшипники ковзання і підшипники кочення.

Підшипник ковзання складається з корпусу (часто такого, що роз’єднується) і вкладок (рис. 90). При складанні вал машини розміщується між верхньою і нижньою вкладками, і підшипник закріплюється гвинтами. Щоб зменшити силу тертя між валом, що обертається, і вкладками, останні виготовляють з міцного матеріалу, який відрізняється від матеріалу вала. У процесі виготовлення і вкладки, і вал старанно шліфують. Крім цього, у внутрішній поверхні вкладок прорізують спеціальні борозенки, по яких розтікається мастило.

Значно зручніші і надійніші в роботі підшипники кочення. У таких підшипниках вал під час обертання не ковзає по нерухомих вкладках, а котиться по них на сталевих кульках або циліндричних роликах. Як ви вже знаєте, сила тертя кочення значно менша від сили тертя ковзання принезмінному навантаженні. У цьому й полягає основна перевага підшипників кочення.

Рис. 90

На рис. 91 зображені найпростіші підшипники кочення — кульковий (а) і роликовий (б). Внутрішнє кільце підшипника насаджується на вал, а зовнішнє закріплюється в корпусі машини. Між кільцями розташовані кульки або ролики, по яких котиться внутрішнє кільце з валом.

Підшипники різних видів мають свої переваги й недоліки. Тому інженери й конструктори, створюючи нові механізми і машини, використовують переваги різного типу підшипників. Так, в автомобілі можна знайти і підшипники кочення, і підшипники ковзання.

У потужних, наприклад, авіаційних двигунах, використовують особливі, так звані голчасті підшипники (рис. 92). У них між кільцями знаходяться рясно змащені голки. Спочатку цей підшипник працює як роликовий — голки перекочуються по поверхнях кілець. Зі збільшенням частоти обертання вала голки перестають обертатися і утворюється ще одне кільце, яке ковзає між внутрішнім і зовнішнім кільцями. Інакше кажучи, голчастий підшипник являє собою водночас і підшипник кочення, і підшипник ковзання. Він має переваги підшипників обох типів.

Рис. 91

Рис. 92

Запитання для самоперевірки

1. Яку силу називають силою тертя?

2. Які бувають види тертя?

3. Як можна виміряти силу тертя?

4. Назвіть причини виникнення сили тертя.

5. Яку силу називають силою нормального тиску?

6. Що таке коефіцієнт тертя ковзання? Чи має він певну одиницю вимірювання?

7. Від чого залежить коефіцієнт тертя ковзання?

8. Корисна чи шкідлива сила тертя? Наведіть приклади.

9. В яких випадках сила тертя напрямлена в бік напряму руху?

10. Яка будова підшипників ковзання? Як вони працюють?

11. Яка будова підшипників кочення? Як вони працюють?

Завдання 22

1. Напишіть невеликий твір на тему «Що було б зі мною, якби зникла сила тертя?».

2. Який вид тертя має місце у наступних випадках:

1) катання з гірки на санчатах;

2) рух автомобіля;

3) рух деталі на транспортері;

4) катання на роликових ковзанах;

5) ходьба, біг;

6) катання на водних лижах;

7) катання на дошці для віндсерфінгу?

3. Чому небезпечно їздити на автомобілі зі старими, «лисими», шинами коліс?

4. Парашутист, маючи масу 70 кг, рівномірно опускається вниз. Визначте силу опору повітря, яка діє на парашутиста.

5. Знайдіть коефіцієнт тертя між шинами коліс автомобіля, який рухається рівномірно по горизонтальній прямолінійній ділянці дороги, і дорогою, якщо маса автомобіля 6 т, а двигун розвиває силу тяги 30 кН.

6. Як можна збільшити або зменшити силу тертя? Наведіть відповідні приклади.

7. Побудуйте графік залежності сили тертя ковзання від сили нормального тиску.

Від чого залежить кут нахилу цього графіка до осі абсцис?

8. Дерев’яний брусок з масою 3 кг рівномірно тягнуть по горизонтальній дерев’яній підлозі за допомогою динамометра. Знайдіть видовження пружини динамометра, якщо її жорсткість становить 3 Н/см.

Робота з комп’ютером

Вивчіть матеріал уроку і виконайте завдання, запропоновані в електронному додатку.

Лабораторна робота № 9

Визначення коефіцієнта тертя ковзання

Мета роботи. 1. Навчитися вимірювати силу тертя ковзання і визначати коефіцієнт тертя ковзання. 2. Встановити залежність між силою тертя ковзання, яка діє на тіло, що рухається рівномірно, і силою його нормального тиску.

Обладнання. 1. Дерев’яний брусок. 2. Набір тягарців. 3. Динамометр. 4. Дерев’яна лінійка.

Хід роботи

1. Прикріпіть динамометр до бруска, розташуйте горизонтально лінійку і рівномірно переміщайте по ній брусок (рис. 93).

Рис. 93

2. Виміряйте силу тертя ковзання, яка діє на брусок без тягарця і на брусок, навантажений одним, двома і трьома тягарцями, враховуючи, що вона дорівнює силі тяги.

3. Занесіть результати вимірювання у таблицю.

4. Визначте за допомогою динамометра вагу бруска, потім послідовно його вагу з одним, двома і трьома тягарцями.

5. Дані вимірювань запишіть у таблицю, враховуючи, що вага тіла на горизонтальній поверхні дорівнює силі нормального тиску.

6. Зробіть висновок про те, як залежить сила тертя ковзання від сили нормального тиску.

7. Обчисліть коефіцієнт тертя ковзання у кожному випадку, використавши формулу Fтер = мN Результати обчислень занесіть в останню графу звітної таблиці.

8. Зробіть висновки і запишіть їх у зошит для лабораторних робіт.

9. Додаткове завдання. Виміряйте силу тертя ковзання, яка діє на брусок, повернувши його на грань з меншою площею. Послідовно навантажуючи брусок, повторіть досліди (пункти 2 і 3) і заповніть таблицю, аналогічну попередній. Зробіть висновок про залежність сили тертя ковзання від площі опори рухомого тіла та запишіть його в робочий зошит.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити