ТЕРТЯ. СИЛА ТЕРТЯ. КОЕФІЦІЄНТ ТЕРТЯ КОВЗАННЯ
Розділ 3 ВЗАЄМОДІЯ ТІЛ. СИЛА
& 35. ТЕРТЯ. СИЛА ТЕРТЯ. КОЕФІЦІЄНТ ТЕРТЯ КОВЗАННЯ
Ще одна сила, яку ми з дитинства постійно використовуємо і враховуємо, – це сила тертя. Таємницю механічного руху, яку намагалися розкрити ще стародавні філософи, було з’ясовано Г. Галілеєм, І. Ньютоном й іншими вченими лише після того, як було виявлено роль тертя. Пересуваючи меблі, катаючись на велосипеді чи ковзанах, малюючи олівцем, взуваючи черевики, йдучи до школи, ми завжди маємо справу із проявами сил тертя. В усіх цих випадках, коли одне тіло рухається
Силу, яка перешкоджає рухові одного тіла по поверхні іншого й спрямована проти напрямку руху, називають силою тертя.
Закони тертя. Дерев’яний брусочок з гачком покладемо на поверхню стола. Зачепивши гачок на бруску за гачок динамометра, потягнемо його так, щоб прикладена до бруска сила діяла паралельно поверхні стола (мал.3.48). Помічаємо, що покази динамометра збільшуються, а брусочок залишається на місці. Це означає, що крім сили F1, яка діє на брусок із боку динамометра, на нього діє й інша сила F2, яка урівноважує
Мал. 3.48
Збільшуючи силу, яка діє на брусок, помічаємо, що брусок продовжує залишатися в спокої доти, поки прикладена до нього сила F1 не досягне певного значення. Із збільшенням сили F1 збільшується і сила тертя спокою, залишаючись увесь час такою, що дорівнює прикладеній силі. Як тільки прикладена сила стає більшою за деяку максимальну силу тертя спокою, брусок починає рухатися (змінює свою швидкість). Отже, сила тертя спокою може досягати лише певного максимального значення.
Зачепивши динамометр за інший гачок на бруску і, потягнувши його у протилежному напрямку, можна помітити, що брусок починає рухатися тоді, коли до нього прикладено таку саму силу.
Сила тертя спокою дорівнює за значенням тій зовнішній силі, яка намагається викликати ковзання одного тіла по поверхні іншого, але направлена протилежно до неї.
Коли сила тертя спокою досягає максимального значення, подальше збільшення сили, з якою діють на брусок, призводить до порушення рівноваги й тіло починає ковзати по поверхні стола.
Силу тертя, яка виникає під час ковзання одного тіла по поверхні іншого й направлена проти напрямку швидкості, називають силою тертя ковзання.
Коли брусок набув швидкості, сила, з якою його тягнуть рівномірно, лише компенсує силу тертя ковзання. Тому динамометр показує дещо меншу силу, ніж у момент, коли брусок рушає з місця. Сила тертя ковзання дорівнює максимальній силі тертя спокою.
Мал. 3.49
Від чого залежить сила тертя ковзання? Навантажимо брусок так, щоб його вага зросла удвічі (покладемо на нього ще один такий самий брусок (мал. 3.49)). Це означатиме, що він з удвічі більшою силою притискається до поверхні. Виявляється, щоб так само рівномірно рухати брусок, необхідно прикладати удвічі більшу силу. Продовжуючи навантажувати брусок, з’ясуємо, що чим із більшою силою брусок притискається до поверхні, тим більшою стає сила тертя ковзання: F = µN. Тут N – це сила, з якою тіло притискається до поверхні, направлена перпендикулярно до поверхонь, що дотикаються (якщо поверхня горизонтальна, значення цієї сили дорівнює вазі тіла N = P = mg); µ – коефіцієнт пропорційності між силою тертя і силою, з якою тіло притискається до поверхні, по якій воно ковзає. Його називають коефіцієнтом тертя ковзання.
Змінимо поверхню, по якій рухається брусок (поклавши на стіл спочатку скло, а потім гумовий килимок). Виявляється, що за тих самих навантажень бруска сила тертя його ковзання по склу менша, а по гумовій поверхні значно більша за силу тертя по поверхні стола. Під час руху по різних поверхнях сила тертя тим більша, чим більше навантажено брусок, проте коефіцієнт пропорційності (коефіцієнт тертя ковзання) у кожному з цих випадків різний. Він залежить від типу поверхонь, які дотикаються. Коефіцієнт тертя ковзання можна знайти, поділивши значення сили тертя на значення сили, з якою брусок притискається до поверхні, по якій він ковзає: µ = 
. Коефіцієнт тертя ковзання показує, у скільки разів значення сили тертя менше чи більше ніж значення сили, що притискає тіло до поверхні, по якій воно ковзає.
Як правило, коефіцієнт тертя ковзання менший за одиницю, тобто сила тертя найчастіше менша за силу, з якою тіло притискають до поверхні. Нижче наведено приблизні значення коефіцієнтів тертя залежно від типу поверхонь, які дотикаються під час ковзання одного тіла по поверхні іншого:
Метал по металу (крім пари сталь/сталь) …..0,15-0,20
Дерево по металу……………………… ………….0,20-0,50
Дерево по льоду……………………………. ……………….0,035
Сталь, яка заточена, по льоду (ковзани)…………….0,015
Лід по льоду………………………………….. 0,028
Гума по пластику……………………………… 0,2
Шина по сухому асфальту…………. …..0,50-0,75
Шина по льоду………………………… …..0,15-0,25
Точильний камінь по сталі……………………0,94
Поклавши брусок на іншу грань, площа якої менша, і вимірявши сили тертя ковзання за тих самих навантажень бруска, з’ясуємо: сили тертя за однакових навантажень не залежить від площ поверхонь, що дотикаються.
Результати проведених дослідів свідчать наступне:
1. Сила тертя ковзання прямо пропорційна силі, з якою тіло притискається до поверхні, по якій ковзає.
2. Сила тертя ковзання не залежить від площ поверхонь, що дотикаються.
3. Коефіцієнт тертя ковзання залежить від властивостей поверхонь (якості їх обробки, матеріалу).
Слід зауважити, що сила тертя діє не тільки на брусок. Така сама за природою сила тертя, але направлена у протилежний бік, діє на поверхню, по який рухається тіло.
Дослідження тертя, які тривали понад 300 років, підтвердили справедливість цих трьох законів тертя ковзання, відкритих у XVII-XVIII ст. французькими вченими Гійомом Амонтоном та Шарлем Кулоном. Важливою особливістю сил тертя, яка відрізняє їх від гравітаційних сил та сил пружності, є те, що вони залежать від відносної швидкості руху тіл. Із збільшенням швидкості вони, як правило, зменшуються. Окрім того, діючи на поверхні обох тіл, які дотикаються, вони завжди направлені протилежно до напрямку відносних швидкостей цих тіл.
Чому виникає сила тертя? Ви мабуть помічали, що сила, яку потрібно прикладати, щоб пересувати один предмет по поверхні іншого, а відтак, і коефіцієнти тертя ковзання залежать від стану цих поверхонь. По гладенькому склу переміщувати дерев’яний брусок значно легше, ніж по шорсткій поверхні.
Мал. 3.50
Однією з причин виникнення сил тертя є те, що навіть коли сила, що притискає поверхні, які труться, одна до одної, велика, вони дотикаються не по всій поверхні. Навіть за найкращої обробки залишаються незначні нерівності. Нерівності однієї поверхні зачіплюються за нерівності іншої. У виступах виникають сили пружності, які перешкоджають руху одного тіла по поверхні іншого (мал. 3.50). Під час ковзання виступи зачіплюються, обламуються. У місцях контакту молекули починають рухатися швидше. Усе це призводить до стирання й нагрівання поверхонь, які труться.
Іншою причиною виникнення сил тертя є взаємодія молекул тіл, що дотикаються. Якщо поверхні тіл добре відполіровані, то відстані між молекулами стають настільки малі, що починають виявлятися сили взаємодії між ними.
Шкідливість і корисність сил тертя. Сили тертя призводять до стирання поверхонь, які взаємодіють. Зношуються одяг і взуття, з’являються проміжки між деталями машин і механізмів. Тертя перешкоджає рухові тіл. Тому в техніці й побуті застосовують різні способи зменшення сил тертя. Поверхні намагаються зробити гладенькими, при виготовленні деталей, які труться, підбирають такі пари матеріалів, коефіцієнт тертя яких найменший. Так, у багатьох випадках для зменшення тертя валів, які обертаються, використовують підшипники ковзання. Частину такого підшипника, що безпосередньо контактує з валом (її називають вкладишем), виготовляють з матеріалів, для яких коефіцієнт тертя між ними і валом малий, наприклад з бронзи. У проміжках між валом і вкладишем вводять мастило.
Сили тертя виникають і під час руху тіл у рідинах та газах. Їх називають силами в’язкого тертя. Коли тіло плаває в рідині, його можна зрушити з місця, приклавши навіть дуже малу силу. У рідинах і газах відсутнє тертя спокою.
Шари рідини досить легко переміщуються один відносно одного. Тому для зменшення тертя ковзання поверхні тіл змащують. Мастило заповнює нерівності поверхонь, що труться, утворюючи тонкий проміжний шар (мал.3.51). За наявності шару мастила поверхні деталей майже перестають безпосередньо контактувати між собою. Тертя ковзання змінюється на в’язке тертя, яке значно менше, ніж сухе тертя ковзання.
Мал. 3.51
Мал. 3.52
У багатьох випадках тертя корисне і його намагаються збільшити. Узимку під час ожеледиці, коли тертя між підошвами черевиків і дорожнім покриттям зменшується, для запобігання падінню пішоходів тротуари посипають піском. На слизькій дорозі автомобіль стає некерованим, щоб збільшити тертя між колесами автомобілів і дорогою, використовують зимові шини зі спеціальним протектором, обв’язують їх ланцюгами. Тертя необхідне, щоб вантажі трималися на стрічці транспортера (мал. 3.52), якір утримував судно. За відсутності тертя одяг розсипався б на окремі нитки. Щоб локомотив міг рухати потяг, між його колесами і рейками мають виникати значні сили тертя, а між колесами вагонів і рейками тертя повинно бути якомога меншим.
Тертя кочення. З давніх-давен люди помічали, що котити тіло округлої форми значно легше, ніж тягнути. Результатом цього відкриття стало винайдення колеса. Якщо дерев’яний брусок, з яким ми проводили досліди, покласти на круглі олівці, то для його переміщення по поверхні стола потрібно прикладати зовсім незначну силу (мал. 3.53).
Мал. 3.53
Силу, що протидіє коченню одного тіла по поверхні іншого, називають силою тертя кочення.
Сила тертя кочення значно менша, ніж сила тертя ковзання. Тому, за можливості, тертя ковзання намагаються змінити на тертя кочення. Для зменшення тертя валів, які обертаються, тертя між колесами та їх осями, а також для збільшення їх довговічності широко використовують кулькові та роликові підшипники (мал. 3.54). Внутрішнє кільце підшипника виготовляють із міцної сталі й насаджують на вал. Зовнішнє кільце закріплюють у корпусі машини чи механізму. Під час обертання вала внутрішнє кільце котиться на кульках або роликах, які розміщені між зовнішнім і внутрішнім кільцями. Підшипники кочення зменшують силу тертя до 30 разів. Кулькові та роликові підшипники використовують у найрізноманітніших машинах: автомобілях, електродвигунах, велосипедах, різноманітних верстатах, електроінструментах тощо.
Мал. 3.54
Намагання збільшити швидкість руху транспортних машин за рахунок зменшення тертя сприяли винайденню апаратів із повітряним змащенням – апаратів на повітряній подушці. Костянтин Ціолковський у 1927 р. у своїй праці “Опір повітря і швидкий потяг” описав проект потягу на повітряній подушці. На сьогодні існує багато транспортних засобів, які рухаються над поверхнею завдяки такій подушці. Повітряна подушка утворюється між їх дном і поверхнею землі, води чи шляхопроводу унаслідок дії спеціальних вентиляторів, які нагнітають повітря під днище транспортного засобу. Він піднімається над поверхнею води чи дороги і, не маючи безпосереднього контакту з ними, може розвивати велику швидкість. На мал. 3.55 зображено корабель на повітряній подушці. Він здатний розвинути швидкість до 60 вузлів (понад 100 км/год). Цей корабель може рухатися над водою і над суходолом. Потяги на повітряних і магнітних подушках піднімаються над полотном монорейкової дороги лише на кілька сантиметрів, проте унаслідок повітряного змащення можуть розвивати швидкість до 500 км/год (мал. 3.56)
Мал. 3.55
Мал. 3.56
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 9
Визначення коефіцієнта тертя ковзання
Завдання. Визначити коефіцієнт тертя ковзання дерева по дереву.
Обладнання: трибометр * (гладенька дощечка або дерев’яна лінійка); дерев’яний брусок; набір тягарців; динамометр (мал. 3.57).
Мал. 3.57
Підготовка до проведення експерименту Підготуйте таблицю для занесення результатів дослідів:
* Трибометр (від грец. tribein – терти, metrо – міряю) – пристрій для визначення сили тертя.
Номер досліду | Вага бруска Р1, Н | Вага навантаження (тягярців) Р2, Н | Притискальна сила (спільна вага тягарців і бруска) Р, Н | Сила тертя Ртер, Н | Коефіцієнт тертя, µ |
Проведення експерименту
1. Виміряйте вагу бруска та тягарців.
2. Виміряйте силу тертя ковзання бруска по горизонтальній дошці трибометра без навантаження.
3. Послідовно навантажуючи брусок спочатку одним, потім двома і трьома тягарцями, виміряйте сили тертя для кожного випадку.
4. Для кожного окремого досліду порівняйте силу тертя з вагою тіла. Зробіть висновок щодо залежності сили тертя від ваги тіла (притискальної сили).
5. За результатами дослідів визначте значення коефіцієнтів тертя в кожному випадку.
6. Чи можна середнє значення одержаних за результатами дослідів коефіцієнтів тертя вважати найбільш близьким до дійсного значення коефіцієнта тертя ковзання для даних поверхонь тіл? Якщо ні, то яке з одержаних значень коефіцієнта тертя можна вважати найточнішим?
7. Зробіть відповідні висновки.
ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
1. Які сили називають силами тертя спокою, ковзання?
2. Які причини виникнення тертя?
3. Як можна збільшити, зменшити сили тертя?
4. Від чого і як залежить сила тертя ковзання?
5. Як можна визначити силу тертя ковзання?
6. Від чого залежить значення коефіцієнта тертя ковзання?
7. Як показати, що сила тертя ковзання залежить від притискальної сили?
8. Поясніть, чому для зменшення тертя ковзання деталі змащують?
9. Як довести, що сила тертя кочення набагато менша за силу тертя ковзання?
10. Навіщо перед тим, як вкрутити шуруп у тверду деревину, його змащують милом?
11. Хлопчик масою 40 кг катається на ковзанах. Визначте, яка сила тертя виникає між ковзанами і льодом.
12. Тіло масою 1 кг знаходиться на горизонтальній площині, його коефіцієнт тертя ковзання по даній площині дорівнює 0,3. На тіло діє горизонтальна сила 2 Н. Чому дорівнює сила тертя? Чому дорівнюватиме сила тертя, якщо прикладена горизонтальна сила становитиме 4 Н? Вважати, що g = 10 м/с2.
13. Дерев’яний брусок масою 2 кг тягнуть рівномірно по горизонтальній площині за допомогою пружини. Жорсткість пружини 100 Н/м. Коефіцієнт тертя ковзання бруска по поверхні – 0,3. На скільки видовжується пружина?
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...