Открытая Уральская межрегиональная конференция-олимпиада юных исследователей «Интеллектуалы XXI века»

 

 

 

 

 

 

«Исследование зависимости силы сухого трения

от физических факторов»

 

 

 

 

 

 

Автор: Румянцев Егор

8"а" класс, 

МБС(К)ОУ   С(К)ОШ №127

Научный руководитель:

Мальцева Нина Михайловна,

учитель физики,

высшей категории

МБС(К)ОУ С(К)ОШ №127

 

 

 

 

Челябинск, 2012

Введение

 

В природе и технике трение имеет большое значение, да и в нашей жизни она играет и «положительную» и «отрицательную» роль. Когда оно полезно, его стараются увеличить, когда вредно - уменьшить. Особенно опасен для нас период гололедов, так в это время увеличивается число обратившихся за медицинской помощью, увеличивается число дорожно-транспортных происшествий. В то же время, благодаря трению человек движется, учебники не падают с парты, поэтому можно исследовать силу  сухого трения и объяснить от чего она зависит.

 

Объект исследования: сила сухого трения

 

Предмет исследования: физические факторы влияющие на силу сухого трения

 

Цель исследования: изучить природу силы сухого трения, исследовать физические факторы, от которых зависит трение, рассмотреть виды трения.

 

Задачи исследования: 

1 расширить и применить знания о силе сухого трения, полученные на уроках физики.

2 познакомиться с соответствующей литературой, и изучить информацию на учебных сайтах.

3 отработать практические умения в результате постановки эксперимента.

4 сформулировать выводы о действии физических факторов на силу сухого трения.

 

Методы исследования:

1 теоретический метод: изучение актуальности выбранной темы, анализ литературы и сайтов, определение основных этапов эксперимента, подбор материала, определение необходимого комплекса средств для выполнения эксперимента, формулировка выводов.

2 практический метод: набор материала на компьютере, построение графиков.

3 экспериментальный метод: проведение эксперимента по исследованию физических факторов, от которых зависит трение.

 

Содержание работы

 

Представить мир без трения чрезвычайно трудно. Вся наша жизнь ежеминутно сопровождается действием силы трения. Без силы трения становиться невозможной ходьба по поверхности земли, ни один гвоздь или шуруп не удержался бы в стенке. Примеров можно приводить как угодно много.

Сила, возникающая на границе соприкосновения тел и всегда направленная вдоль поверхности соприкосновения, называется силой трения.

Почти любое движение окружающих нас тел сопровождается трением. Останавливается автомобиль, у которого водитель выключил мотор, останавливается после многих колебаний маятник, медленно погружается в банку с маслом, брошенный туда шарик. Это действуют силы трения, возникающие при движении одних тел вдоль поверхности других. Но силы трения возникают не только при движении. Известно, например, как трудно сдвинуть с места тяжелый шкаф. Сила, противодействующая этому условию, тоже является силой трения покоя. Силы трения возникают и, когда мы двигаем предмет, и когда мы его катим. Это два несколько отличных физических явления. Поэтому различают трение скольжения и трение качения. Трение качения в десятки раз меньше трения скольжения.

Что мешает книге, положенной на стол соскользнуть, если стол немного наклонен? Конечно, трение. На первый взгляд объяснить происхождение силы трения очень просто. Поверхность стола и обложки книги шероховаты. Это чувствуется на ощупь, а под микроскопом видно, что поверхность твердого тела более всего напоминает горную страну. Бесчисленные выступы цепляются друг за друга, немного деформируются и не дают книге скользить.

В связи с этим, казалось бы, чем тщательнее отполированы поверхности, тем меньше должна быть сила трения. До известной степени это так. Шлифовка снижает, например силу трения между двумя стальными брусками. Но это не беспредельно. Сила трения внезапно начинает расти при дальнейшем увеличении гладкости поверхности. Это неожиданно, но все же объяснимо. По мере сглаживания поверхностей они все теснее и теснее прилегают друг к другу. Однако до тех пор, пока высота неровностей превышает несколько молекулярных радиусов, силы взаимодействия между молекулами соседних поверхностей отсутствуют. Ведь это очень короткодействующие силы. Лишь при достижении некоего совершенства шлифовки поверхности сблизятся настолько, что силы сцепления молекул включатся в игру. Они начнут препятствовать смещению брусков друг относительно друга, что и обеспечивает силу трения покоя.

В большинстве традиционных механизмов (ДВС, автомобили, зубчатые шестерни и пр.) трение играет отрицательную роль, уменьшая КПД механизма. Для уменьшения силы трения используются различные натуральные и синтетические масла и смазки. В современных  механизмах для этой цели используется также напыление тонких пленок на детали. С миниатюризацией механизмов и созданием микроэлектромеханических систем (МЭМС) и наноэлектромеханических систем (НЭМС) величина трения по сравнению с действующими в механизме силами увеличивается и становиться весьма значительной и при этом не может быть уменьшена с помощью обычных смазок, что вызывает значительный теоретический и практический интерес инженеров и ученых к данной области. Для решения проблемы трения создаются новые методы его снижения в рамках науки о поверхности.

Наличие трения обеспечивает возможность перемещаться по поверхности. Так, при ходьбе именно за счет трения происходит сцепление подошвы с полом, в результате чего происходит отталкивание от пола и движение вперед. Точно так же обеспечивается сцепление колес автомобиля с поверхностью дороги. В частности, для увеличения величины этого сцепления разрабатываются специальные типы резины для покрышек, а на гоночные болиды устанавливаются антикрылья, сильнее прижимающие машину к трассе.

При скольжении одного тела по поверхности другого возникает трение, которое называют трением скольжения. Если же тело не скользит , а катится по поверхности другого, то трение, возникающее при этом, называют трением качения. Сила, возникающая между покоящимися телами друг относительно друга  называется силой трения покоя.

Размышляя над всем вышесказанным, я решил исследовать силу сухого трения и выяснить, как влияют физические факторы на нее. Можно предположить, что сила трения скольжения зависит от следующих факторов:

-от нагрузки;

-от площади соприкосновения трущихся поверхностей; 

-от трущихся  материалов (при сухих поверхностях);

-от скорости движения тела.

А также, можно доказать, что сила трения скольжения больше , чем сила трения качения и меньше, чем сила трения покоя. Поэтому необходимо провести несколько экспериментов и сделать соответствующие выводы.

 

Опытно- экспериментальная часть

 

Эксперимент №1

Цель: выяснить зависимость силы сухого трения скольжения от нагрузки, если брусок лежит на поверхности стола на грани с большей площадью поверхности.

Оборудование: динамометр лабораторный, деревянный брусок, набор грузов.

Выполнение работы: измерить силу трения нагружая брусок 1, 2, 3, 4, 5 грузами соответственно, если брусок лежит на поверхности стола на грани с большей площадью поверхности.

Результаты эксперимента отражены в таблице № 1 и графике №1 (см. приложении)

Вывод эксперимента №1: сила сухого трения скольжения зависит от нагрузки на брусок, она увеличивается в результате увеличения числа грузов, а именно от увеличения веса тела.

 

 

Эксперимент № 2

Цель: выяснить зависимость силы сухого трения скольжения от площади соприкосновения трущихся поверхностей и выяснить зависимость силы сухого трения скольжения от нагрузки, если брусок лежит на поверхности стола на грани с меньшей площадью поверхности. Сравнить результаты с первым экспериментом, сделать выводы.

Оборудование: динамометр лабораторный, деревянный брусок, набор грузов.

Выполнение работы: измерить силу трения нагружая брусок 1, 2, 3, 4, 5 грузами соответственно, если брусок лежит на поверхности стола на грани с меньшей площадью поверхности. Сравнить результаты с первым экспериментом.

Результаты эксперимента: отражены в таблице № 2 и графике №2 (см. приложение)

Вывод: Анализируя таблицы №1 и №2, я прихожу к заключению, что результаты эксперимента практически одинаковые, значит, сила трения скольжения от площади соприкосновения тел не зависит.

 

Эксперимент №3

Цель: выяснить зависимость силы трения скольжения от размеров неровности трущихся поверхностей: дерево по дереву, дерево по линолеуму, дерево по резине, дерево по пенопласту, дерево по льду, дерево по стеклу (различные способы обработки поверхностей) и рассчитать коэффициент трения скольжения, сделать выводы.

Оборудование: динамометр лабораторный, деревянный брусок, набор грузов, различные поверхности.

Выполнение работы: измерить силу трения скольжения бруска с тремя грузами на разных поверхностях, используя формулу F=µ×N рассчитать коэффициент трения скольжения, сделать выводы.

Результаты эксперимента: отражены в таблице № 3 и графике №3 (см. приложение)

Вывод эксперимента №3: сила сухого трения скольжения зависит от различных способов обработки материалов.

 

Эксперимент № 4

Цель: выяснить зависимость силы трения скольжения от скорости движения тела

Оборудование: динамометр лабораторный, деревянный брусок, набор грузов.

Выполнение работы: измерить силу трения скольжения бруска с тремя грузами при малой скорости движения бруска и при большой скорости движения. 

Результаты эксперимента: отражены в таблице № 4 и графике №4 (см. приложение)

Вывод эксперимента №4: сила сухого трения скольжения мало зависит от разных скоростей движения бруска

 

Эксперимент №5

Цель: выяснить зависимость силы сухого трения качения от нагрузки, если брусок лежит на поверхности стола на грани с большей площадью поверхности, сравнить с первым экспериментом, сделать выводы.

Оборудование: динамометр лабораторный, деревянный брусок, набор грузов, катки.

Выполнение работы: измерить силу трения качения нагружая брусок 1, 2, 3, 4, 5 грузами соответственно, если брусок лежит на поверхности стола на грани с большей площадью поверхности,  сравнить с первым экспериментом.

Результаты эксперимента: отражены в таблице № 5 и графике №5 (см. приложение)

Вывод эксперимента №5: сила сухого трения качения зависит от нагрузки на брусок, она увеличивается в результате увеличения числа грузов, а именно от увеличения веса тела, и она намного меньше  силы трения качения.

 

Эксперимент №6

Цель: выяснить зависимость силы сухого трения покоя от нагрузки, если брусок лежит на поверхности стола на грани с большей площадью поверхности, сравнить с первым экспериментом, сделать выводы.

Оборудование: динамометр лабораторный, деревянный брусок, набор грузов.

Выполнение работы: измерить силу трения покоя, нагружая брусок 1,2, 3, 4,5 грузами соответственно, если брусок лежит на поверхности стола на грани с большей площадью поверхности,  сравнить с первым экспериментом.

Результаты эксперимента: отражены в таблице № 6 и графике №6 (см. приложение)

Вывод эксперимента №6: сила сухого трения покоя зависит от нагрузки на брусок, она увеличивается в результате увеличения числа грузов, а именно от увеличения веса тела, и она намного больше  силы трения скольжения и силы трения качения.

 

 

 

 

 

 

 

 

Выводы

 

Сила трения возникает на границе соприкосновения тел и всегда направлена вдоль поверхности соприкосновения.

Причинами сухого трения являются неровность поверхностей соприкосновения тел  и силы взаимодействия молекул.

Сила сухого трения скольжения зависит от веса тела и свойств поверхностей (коэффициента трения), мало  зависит от скорости движения и не зависит от площади поверхности соприкосновения трущихся тел.

Сухое трение различается по видам: трение покоя, трение скольжения и трение качения, сила трения покоя намного больше  силы трения скольжения и силы трения качения.

Уменьшение и увеличение силы трения - одна из важных технических задач. Полное уничтожение трения невозможно.

Таким образом, мы пришли к выводу о том, что человек издавна использует знания о явлении трения, полученные опытным путем. Начиная с XV-XVI веков, знания об этом явлении становятся научными; ставятся опыты по определению зависимостей силы трения от многих факторов, выясняются закономерности.

Теперь я точно знаю, от чего зависит сила трения, а что не влияет на нее. Если говорить более конкретно, то сила трения зависит от нагрузки или массы тела, от рода соприкасающихся поверхностей, от скорости относительного движения тел, от размера неровностей или шероховатостей поверхностей. А вот от площади поверхностей она не зависит

Теперь я могу объяснить все наблюдаемые в практике закономерности строением вещества, силой взаимодействия между молекулами.

Но, наверное, самое главное - я понял, как здорово добывать знания самому, а потом делится ими с другими.