Реферат: Трение во всех ракурсах

План реферата

I.        Введение

II.      Трение

1.  Трение покоя, скольжения

2.  Трение качения

3.  Сопротивление среды

III.    Заключение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Автор: студент РК-5-12Павлов В.В.

2001г.

Вступление

Почему звучит скрипичная струна, когда по ней ведутсмычком? Ведь смычок движется, а колебания струны периодические. А какразгоняется автомобиль, и какая сила замедляет его при торможении? Почемуавтомобиль «заносит» на скользкой дороге? Ответы на все эти и многие другиеважные вопросы, связанные с движением тел, дают законы трения.

Вы видите, как разнообразно и порой неожиданнопроявляется трение в окружающей нас обстановке. Трение принимает участие, ипритом весьма существенное, там, где мы о нём даже и не подозреваем. Если бытрение внезапно исчезло из мира, множество обычных явлений протекало бысовершенно иным образом.

Очень красочно пишет о роли трения французский физикГильом:

«Всем нам случалось выходить в гололедицу; сколькоусилий стоило нам удерживаться от падения, сколько смешных движений приходилосьнам проделать, чтобы устоять! Это заставляет нас признать, что обычно земля, покоторой мы ходим, обладает драгоценным свойством, благодаря которому мысохраняем равновесие без особых усилий. Та же мысль возникает у нас, когда мыедем на велосипеде по скользкой мостовой или когда лошадь скользит по асфальтуи падает. Изучая подобные явления, мы приходим к открытию тех следствий, ккоторым приводит трение. Инженеры стремятся по возможности устранить его вмашинах – и хорошо делают. В прикладной механике о трении говорится как окрайне нежелательном явлении, и это правильно, — однако лишь в узкойспециальной области. Во всех прочих случаях мы должны быть благодарны трению:оно даёт нам возможность ходить, сидеть и работать без опасения, что книги ичернильница упадут на пол, что стол будет скользить, пока не упрётся в угол, аперо выскальзывать из пальцев.

Трение представляет настолько распространенноеявление, что нам, за редкими исключениями, не приходится призывать его напомощь: оно является к нам само.

Трение способствует устойчивости. Плотники выравниваютпол так, что столы и стулья остаются там, куда их поставили. Блюдца, тарелки,стаканы, поставленные на стол, остаются неподвижными без особых забот с нашейстороны, если только дело не происходит на пароходе во время качки.

Вообразим, что трение может быть устранено совершенно.Тогда никакие тела, будь они величиною с каменную глыбу или малы, как песчинки,никогда не удержатся одно на другом: всё будет скользить и катиться, пока неокажется на одном уровне. Не будь трения, Земля представляла бы шар безнеровностей, подобно жидкому».

К этому можно прибавить, что при отсутствии трениягвозди и винты выскальзывали бы из стен, ни одной вещи нельзя было бы удержатьв руках, никакой вихрь никогда бы не прекращался, никакой звук не умолкал бы, азвучал бы бесконечным эхом, неослабно отражаясь, например, от стен комнаты.

Наглядный урок, убеждающий нас в огромной важноститрения, даёт нам всякий раз гололедица. Застигнутые ею на улице, мы оказываемсябеспомощными, и всё время рискуем упасть. Вот поучительная выдержка из газеты(декабрь 1927 г.):

«Лондон, 21. Вследствие сильной гололедицы уличное итрамвайное движение в Лондоне сильно затруднено. Около 1400 человек поступило вбольницы с переломами рук, ног и т. д.».

«При столкновении вблизи Гайд-Парка трёх автомобилей идвух трамвайных вагонов машины были уничтожены из-за взрыва бензина…»

«Париж, 21. Гололедица в Париже и его пригородахвызвала многочисленные несчастные случаи…»

Однако Ничтожное трение на льду может быть успешно использованотехнически. Уже обыкновенные сани служат тому примером. Ещё лучшесвидетельствуют об этом так называемые ледяные дороги, которые устраивали длявывозки леса с места рубки к железной дороге или к пунктам сплава. На такойдороге, имеющей гладкие ледяные рельсы, две лошади тащат сани, нагруженные 70тоннами брёвен.

      />

Ледянаядорога; А – колея; В – полоз; С – уплотнённый снег; D –земляное основание дороги.

ТрениеТрение покоя, скольжения

Прежде думали, что механизм трения не сложен: поверхностьпокрыта неровностями и трение есть результат подъёма скользящих частей на этинеровности; но это неправильно, ведь тогда не было бы потерь энергии, а насамом деле энергия на трение тратится.

Механизм потерь иной. И здесь крайне неожиданнымоказывается, что эмпирически это трение можно приближенно описать простымзаконом. Сила нужная для того, чтобы преодолевать трение и тащить один предметпо поверхности другого, зависит от силы, направленной по нормали к поверхностямсоприкосновения.

Поверхность твёрдого тела обычно обладаетнеровностями. Например, даже у очень хорошо отшлифованных металлов вэлектронный микроскоп видны «горы» и «впадины» размером в 100-1000Å. Присжатии тел соприкосновение происходит только в самых высоких местах и площадьреального контакта значительно меньше общей площади соприкасающихсяповерхностей. Давление в местах соприкосновения может быть очень большим, и тамвозникает пластическая деформация. При этом площадь контакта увеличивается, адавление падает. Так продолжается до тех пор, пока давление не достигнетопределённого значения, при котором деформация прекращается. Поэтому площадьфактического контакта оказывается пропорциональной  сжимающей силе.

В месте контакта действуют силы молекулярногосцепления (известно, например, что очень чистые и гладкие металлическиеповерхности прилипают друг к другу).

Эта модель сил сухого трения (так называют трениемежду твёрдыми телами), по-видимому, близка к реальной ситуации в металлах.

Если тело, например, просто лежит на горизонтальнойповерхности, то сила трения на него не действует. Трение возникает, еслипопытаться сдвинуть тело, приложить к нему силу. Пока величина этой силы непревышает определённого значения, тело остаётся в покое и сила трения равна повеличине и  обратна по направлению приложенной силе. Затем начинается движение.

Может показаться удивительным, но именно сила тренияпокоя

/>

разгоняет автомобиль. Ведь при движении автомобиляколеса не проскальзывают относительно дороги, и между шинами и поверхностьюдороги возникает сила трения покоя. Как легко видеть, она направлена в сторонудвижения автомобиля. Величина этой силы не может превосходить максимальногозначения трения покоя. Поэтому если на скользкой дороге резко нажать на газ, тоавтомобиль начнет буксовать. А вот если нажать на тормоза, то вращение колёспрекратится, и автомобиль будет скользить по дороге. Сила трения изменит своёнаправление и начнёт тормозить автомобиль.

Сила трения при скольжении твёрдых тел зависит нетолько от свойств поверхностей и силы давления (это зависимость качественнотакая же, как для трения покоя), но и от скорости движения. Часто с увеличениемскорости сила трения сначала резко падает, а затем снова начинает возрастать.

Эта важная особенность силы трения скольжения как рази объясняет, почему звучит скрипичная струна. Вначале между смычком и струнойнет проскальзывания, и струна захватывается смычком. Когда сила трения покоядостигнет максимального значения, струна сорвется, и дальше она колеблетсяпочти как свободная, затем снова захватывается смычком и т.д.

Подобные, но уже вредные колебания могут возникнутьпри обработке металла на токарном станке вследствие трения между снимаемойстружкой и резцом. И если смычок натирают канифолью, чтобы сделать зависимостьсилы трения от скорости более резкой, то при обработке металла приходитсядействовать наоборот (выбирать специальную форму резца, смазку и т.п.). Так чтоважно знать законы трения и уметь ими пользоваться.

Кроме сухого трения существует ещё так называемое жидкоетрение, возникающее при движении твёрдых тел в жидкостях и газах и связанное сих вязкостью. Силы жидкого трения пропорциональны скорости движения иобращаются в нуль, когда тело останавливается. Поэтому в жидкости можнозаставить тело двигаться, прикладывая даже очень маленькую силу. Например,тяжелую баржу на воде человек может привести в движение, отталкиваясь то днашестом, а на земле такой груз ему, конечно, не сдвинуть. Эта важная особенностьсил жидкого трения объясняет, например, тот факт, почему автомобиль «заносит»на мокрой дороге. Трение становится жидким, и даже небольшие неровности дороги,создающие боковые силы, приводят к «заносу» автомобиля.

Трение качения

Возьмем деревянный цилиндр и положим его на стол так,чтобы он касался стола по образующей. В центры оснований цилиндра вставим концыпроволочной вилки и прикрепим к ней снабженный очень чувствительный динамометр.Если тянуть за динамометр, то цилиндр покатится по столу. По показаниямдинамометра увидим, что нужна весьма небольшая сила тяги, чтобы сдвинуть сместа цилиндр и катить его равномерно дальше, гораздо меньшая, чем прискольжении того же цилиндра, если бы он не вращался и скользил бы по столу. Притой же силе давления на стол сила трения качения много меньше силы тренияскольжения. Например, при качении стальных колёс по стальным рельсам трениекачения примерно в 100 раз меньше, чем трение скольжения. Поэтому в машинахстремятся заменить трение скольжения трением качения, применяя так называемыешариковые или роликовые подшипники.

Происхождение трения качения можно нагляднопредставить себе так. Когда шар или цилиндр катится по поверхности другоготела, он немного вдавливается в поверхность этого тела, а сам немногосжимается. Таким образом, катящееся тело всё время как бы вкатывается на горку.

/>

Вместе с тем происходит отрыв участков однойповерхности от другой, а силы сцепления, действующие между этими поверхностями,препятствуют этому. Оба эти явления и вызывают силы трения качения. Чем твёржеповерхности, тем меньше вдавливание и тем меньше трение качения.

Сопротивление среды

Если твёрдое тело находится внутри жидкости или газа,то вся его поверхность всё время соприкасается с частицами жидкости или газа.При движении тела на него со стороны жидкости или газа действуют силы,направленные навстречу движению. Эти силы называют сопротивлением среды. Каксилы трения, сопротивление среды всегда направленно против движения.Сопротивление среды можно рассматривать как один из видов трения.

Особенностью сил трения в жидкости или газе являетсяотсутствие трения покоя. Твёрдое тело лежащее на другом твёрдом теле, можетбыть сдвинуто с места, только если к нему приложена достаточно большая сила,превосходящая наибольшую силу трения покоя. При меньшей силе твёрдое тело сместа не сдвинется, сколько бы времени эта сила ни действовала. Картинаполучается иной, если тело находится в жидкости. В этом случае, чтобы сдвинутьс места тело, достаточно сколь угодно малых сил: хотя и очень медленно, но всёже тело начнёт двигаться. Человек вообще никогда не сдвинет с места голымируками камень весом в сто тонн. В то же время баржу весом в сто тонн, плавающуюна воде, один человек, хотя и очень медленно, но всё же сможет двигать. Однакопо мере увеличения скорости сопротивление среды сильно увеличивается, так что,сколько бы времени сила не действовала, она не сможет разогнать тело до большойскорости.

Важной характеристикой жидких и газообразных средявляется вязкость. Вязкость – свойство текучих тел (жидкостей и газов)сопротивляться перемещению одной их части относительно другой под действиемвнешних сил.

Количественно вязкость определяется величиной касательнойсилы, которая должна быть приложена к единице площади сдвигаемого слоя, чтобыподдерживать в этом слое ламинарное течение с постоянной скоростью относительносдвига, равной единице.

Вязкость газов и жидкостей, согласно молекулярнойкинетической теории, вызвана передачей импульса от молекул более быстродвижущегося слоя к молекулам более медленного слоя, которая происходит приперемешивании молекул соседних слоёв вследствие теплового движения.

Силы внутреннего трения гораздо меньше сил тренияскольжения. Поэтому для уменьшения трения между движущимися частями машин имеханизмов используется смазка – слой вязкой жидкости, заполняющий пространствомежду трущимися поверхностями и оттесняющий их друг от друга. Это приводит ксущественному уменьшению нагрева и износа деталей. Вместе с тем следуетизбегать попадания жидкости между фрикционными муфтами, ремнём и шкивом временной передаче, ведущими колесами локомотива и рельсом и т.п., ибо во всехэтих случаях именно сила трения служит для передачи движения.

С увеличением температуры вязкость газов возрастает, ажидкостей (за некоторым исключением) резко падает. Это связано с различиями вхарактере движения молекул в жидкости и газе. При понижении температурывязкость некоторых жидкостей настолько возрастает, что они теряют характернуюдля них способность течь, превращаясь в аморфные твёрдые тела.

 

Сопротивление воздуха

При движении твёрдого тела в воздухе на тело действуетсила сопротивления воздуха, направленная противоположно движению тела. Такая жесила возникает, если на неподвижное тело набегает пучок воздуха; онанаправлена, конечно, по движению потока.

Сила сопротивления вызывается, во-первых, трениемвоздуха о поверхность тела и, во-вторых, изменением движения потока, вызваннымтелом. В воздушном потоке, изменённом присутствием тела, давление на переднейстороне тела растёт, а на задней – понижается по сравнению с давлением вневозмущенном потоке.

Таким образом, создаётся разность давлений, тормозящаядвижущееся тело или увлекающая тело, погруженное в поток. Движение воздухапозади тела принимает беспорядочный вихревой характер.

Сила сопротивления зависит от скорости потока, отразмеров и формы тела.

/>

Длявсех тел, изображенных на рисунке, сопротивление движению одинаково, несмотряна весьма разные размеры тел.

«Обтекаемое» тело почти не нарушает правильностипотока; поэтому давление на заднюю часть тела лишь немного понижено посравнению с передней частью и сопротивление не велико.

Различные обтекатели, устанавливаемые на выдающихсячастях самолёта, как раз имеют своим назначением устранять завихрения потокавыступающими частями конструкции. Вообще же конструкторы стремятся оставлять наповерхности возможно меньшее количество выдающихся частей и неровностей,могущих создавать завихрения.

Влияние сопротивления воздуха сильно сказывается и дляназемных средств передвижения: с увеличением скорости автомобилей напреодоление сопротивления воздуха затрачивается всё большая часть мощностимотора. Поэтому современным автомобилям также придают по возможности обтекаемуюформу.

Для уменьшения трения при сверхзвуковой скорости нужнозаострять переднюю часть движущегося тела, в то время как при меньших скоростяхнаибольшее значение имеет «обтекаемость».

Сопротивление воды

При движении тел в воде также возникаю силысопротивления, направленные противоположно движению тела. Если тело движетсяпод водой, то сопротивление теми же обстоятельствами, что и при движении ввоздухе: трение воды о поверхность тела и изменением потока, создающимдополнительное сопротивление. Быстро плавающие рыбы и китообразные имеют«обтекаемую форму тела, уменьшающую сопротивление воды при их движении.Обтекаемую форму придают и  подводным лодкам. Вследствие большой плотности водыпо сравнению с плотностью воздуха, сопротивление движению данного тела в водемного больше сопротивления в воздухе при той же скорости движения.

Для обычных судов, идущих на поверхности воды, естьещё дополнительное волновое сопротивление: от идущего судна наповерхности воды расходятся волны, на создание которых непроизводительнозатрачивается часть работы судовой машины.

/>

Для уменьшения волнового сопротивления, которое длябыстроходных судов может составлять 3/4 полного сопротивления, корпусу суднапридают специальную форму. Нос судна в подводной части иногда делают«бульбообразной» формы; при этом образование волн на поверхности водыуменьшается, а значит, уменьшается и сопротивление.

Заключение

Чем больше мы будем изучать законы трения, темсложней, а не проще представятся они нам. Иными словами, всё глубже вникая взакон торможения самолёта, мы всё ясней будем понимать его «фальшь». Чем глубжевзгляд, чем аккуратней измерения, тем сложнее становится истина; она не предстанетперед нами как итог простых фундаментальных процессов. Тем больше человекпонимание того, что, расширяя круг знаний человек расширяет круг своих незнаний.

Список основнойлитературы:

 

1.   Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сендс «ФЕЙНМАНОВСКИЕ ЛЕКЦИИПО ФИЗИКЕ» 1976г.

2.   «ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ УЧЕБНИК ФИЗИКИ» под ред. Академика Г.С.Ландсберга 1971г.

3. Перельман Я.И.«ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА» 1999г.

еще рефераты
Еще работы по физике