Вязкое трение и сопротивление среды — студенческий портал

• План-конспект урока по теме «Силы трения. Силы сопротивления среды»
• Дата:
• Тема: «Силы трения. Силы сопротивления среды»
• Цели:
• Образовательная: Обеспечить и сформировать осознанное усвоение знаний о силах трения, силах сопротивления среды.
• Развивающая: Продолжить развитие навыков самостоятельной деятельности, навыков работы в группах.
• Воспитательная: Формировать познавательный интерес к новым знаниям; воспитывать дисциплину поведения.
• Тип урока: урок усвоения новых знаний
• Оборудование и источники информации:

1. Исаченкова, Л. А. Физика : учеб. для 9 кл. учреждений общ. сред. образования с рус. яз. обучения / Л. А. Исаченкова, Г. В. Пальчик, А. А. Сокольский ; под ред. А. А. Сокольского. Минск : Народная асвета, 2015

2. Карточки с заданиями.

Структура урока:

1. Организационный момент (5 мин)

2. Актуализация опорных знаний (5мин)

3. Изучение нового материала (19 мин)

4. Физкультминутка (1 мин)

5. Закрепление знаний (10 мин)

6. Итоги урока (5 мин)

Содержание урока

Здравствуйте, садитесь! (Проверка присутствующих). Сегодня на уроке мы должны разобраться с силами трения, силами сопротивления среды. А это значит, что Тема урока: «Силы трения. Силы сопротивления среды».

1. Актуализация опорных знаний

1. Что называется деформацией? (Ответ: Деформацией называется изменением размеров или формы тела.)

2. Как направлены силы упругости? (Ответ: Силы упругости направлены противоположно деформирующим силам).

1. Изучение нового материала

Согласно первому закону Ньютона для движения с постоянной скоростью силы не нужны. Почему же движущиеся санки, тележка, лодка и т. д. остановятся, если мы перестанем действовать на них? Какие силы препятствуют их движению?

Санки останавливает сила трения скольжения, тележку — ста трения качения, лодку — сила сопротивления среды.

Рассмотрим силу трения скольжения. Куда она направлена? Чем определяется ее модуль?

Проведем опыт. С помощью динамометра будем равномерно перемещать деревянный брусок по поверхности стола (рис. 163, л). Модуль силы трения Fтр будем определять по показаниям динамометра F(т.к. при равномерном движении Fтр = —F).

С помощью гири увеличим силу давления FA бруска на стол (рис. 163,6). Опыт показывает, что при увеличении силы давления в 2, 3, 4, … раза показания динамометра F увеличиваются также в 2, 3, 4, … раза. Значит, модуль силы трения скольжения прямо пропорционален модулю силы давления тела на опору:

где μ — коэффициент трения скольжения. Он зависит от свойств соприкасающихся поверхностей тел: от материалов, из которых они изготовлены, от шероховатости этих поверхностей, от наличия примесей и загрязнений.

В таблице 2 приведены приближенные значения коэффициентов трения для некоторых материалов.

По третьему закону Ньютона сила давления бруска на стол FA вызывает ответную силу N= — , ,приложенную к бруску со стороны стола (см. рис. 163).

Сила N направлена по нормали к поверхности опоры. Ее называют нормальной реакцией опоры. Модуль N (как и FД) показывает, насколько сильно тело прижато к поверхности опоры.

Поэтому вместо равенства (1) часто используют формулу

Чему в данном примере равна сила, с которой опора действует на брусок, т.е. реакция опоры? Она равна R = N + Fтр (рис. 164). Значит, при наличии силы трения реакция опоры имеет две составляющие: нормальную реакцию опоры N, перпендикулярную поверхности опоры, и силу трения Fтр параллельную этой поверхности.

Зависит ли сила трения скольжения от площади соприкосновения тел? Сравним силу трения при двух положениях 1 и 2 бруска (рис. 165). Хотя площадь его контакта с доской в положении 2 меньше, показания динамометра почти не изменились. Опыты показывают: сила трения практически не зависит от площади соприкосновения тел.

Этот вывод неприменим к случаям, когда площадь контакта настолько мала, что одно тело (например, игла, нож, стеклорез) может нарушить состояние поверхности другого тела — нанести царапину, проделать бороздку и т. п.

Куда направлена сила трения скольжения?

Опыты показывают (см. рис. 163, 164): сила трения скольжения направлена противоположно скорости движения тела относительно опоры.

При своем движении тело тоже действует на опору силой трения (рис. 166). Она приложена к опоре, направлена по скорости тела и имеет такой же модуль, как сила трения FTp, действующая на тело.

Отметим, что коэффициент трения скольжения ц зависит от скорости движения тела относительно опоры . Изменение μ незначительно (рис. 167). При решении задач, как правило, принимают μ = const.

А может ли сила трения действовать на неподвижное тело?

Рассмотрим пример. Шкаф стоит на горизонтальном полу. На него действуют две силы: сила тяжести FT и сила реакции опоры N. Они уравновешивают друг друга. Сила трения равна нулю.

Приложим к шкафу внешнюю силу Fгор, параллельную полу (рис. 168). Появится сила трения покоя . Пока внешняя сила мала, сила трения покоя компенсирует ее (= — Fгор), и шкаф остается в покое.

При увеличении внешней силы будет расти и сила трения покоя (рис. 169), пока шкаф не сдвинется с места. В этот момент модуль силы трения покоя достигает своего максимального значения . Оно, как показывает опыт, прямо пропорционально модулю силы давления Fд = N.

Таким образом, 0 ≤ ≤ ;

Коэффициент трения покоя μпок, как правило, немного больше, чем коэффициент трения скольжения μ (см. рис. 167, 169). Поэтому тело труднее сдвинуть с места, чем затем его перемещать.

Сила трения покоя направлена противоположно горизонтальной составляющей внешней силы, стремящейся сдвинуть тело. Это следует из условия равновесия = — Fгор (см. рис. 168).

Под действием внешней силы шкаф может не сдвинуться, а перевернуться! От чего это зависит? Вы узнаете это, решив задачу 10 в конце параграфа.

Отметим также, что в отличие от силы трения скольжения сила трения покоя — это частный случай сил упругости.

А какой будет сила трения при качении тела?

Опыт показывает, что при замене скольжения качением (рис. 170, а, б) сила трения резко уменьшится (в десятки раз — для дерева по дереву, почти в сто раз — для стали по стали и т. д.).

Трение играет важную роль в технике и в повседневной жизни. Так, при отсутствии трения любой предмет соскользнул бы с полки при малейшем ее наклоне. И автомобиль, и пешеход не смогли бы ни начать движение, ни остановиться. Поэтому трение часто стремятся увеличить. Обувь и автопокрышки делают «рельефными» (рис. 171, а), дорогу зимой посыпают песком и т. д.

Отметим, что действие смазки состоит в замене непосредственного контакта твердых тел на их контакт со слоем жидкости.

Можно ли путем тщательной шлифовки (полировки) поверхности свести силу трения к нулю? Оказывается, нет. Чем лучше отполированы поверхности, тем большая часть молекул одного тела вступает во взаимодействие с молекулами другого. Силы межмолекулярного притяжения между ними препятствуют скольжению, и сила трения даже возрастает.

Рассмотрим движение тела в жидкости или газе. Здесь тоже есть силы, препятствующие движению. Их называют силами сопротивления. Силы сопротивления в жидкости и газе возникают только при движении тела и среды друг относительно друга.

1. Значит, сила трения покоя в жидкостях и газах равна нулю.
2. Поэтому человек, который не смог бы сдвинуть с места лежащую на берегу лодку, легко приведет ее в движение, если она находится на плаву.
3. От чего зависит сила сопротивления?

Выяснить это можно на опыте, измеряя силу, с которой поток газа или жидкости действует на тело (рис. 172).

• Сила сопротивления зависит от следующих факторов.
• а) От свойств среды:

для данного тела при одной и той же скорости сила сопротивления в воздухе намного меньше, чем в воде, а в воде — меньше, чем в сахарном сиропе, и т. д.

1. б) От размеров тела:
2. для тел одинаковой геометрической формы сила сопротивления прямо пропорциональна площади их поперечного сечения.
3. в) От формы тела:

на рисунке 173 изображены тела с одинаковой площадью поперечного сечения, но разной формы. Наибольшую силу сопротивления испытывает вогнутая полусфера, а наименьшую — тело каплевидной (обтекаемой) формы.

Обтекаемая форма тела у птиц и рыб сводит до минимума силу сопротивления воздуха или воды. С этой же целью обтекаемую форму придают самолетам (рис. 174,а), речным и морским судам, подводным лодкам (рис.

174, б) и т. д.

А чем обусловлена форма парашюта (рис. 174,в)? Объясните самостоятельно.

г) От скорости движения:

сила сопротивления возрастает с увеличением скорости движения тела относительно среды. При малых скоростях она растет прямо пропорционально модулю скорости, а при больших — еще быстрее.

• Силы трения и сопротивления среды (как и силы упругости) определяются взаимодействием молекул и, следовательно, имеют электромагнитную природу.
• Рассмотрим пример решения задачи на странице 120:

• Сила трения скольжения прямо пропорциональна модулю силы давления (силы нормальной реакции опоры) и направлена против скорости движения тела.
• Коэффициент трения скольжения зависит от материала и состояния соприкасающихся поверхностей, но практически не зависит от их площади.
• Сила трения качения существенно меньше силы трения скольжения.
• Сила трения покоя возникает при наличии внешней силы, стремящейся вызвать движение тела.
• Силы сопротивления движению тела в газе или жидкости зависят от свойств среды, размеров и формы тела и от скорости его движения относительно среды.

Организация домашнего задания

§ 23, упр. 16 № 1, 2.

Рефлексия.

Продолжите фразы:

• Сегодня на уроке я узнал…
• Было интересно…
• Знания, которые я получил на уроке, пригодятся…

Источник: https://infourok.ru/sili-treniya-sili-soprotivleniya-sredi-2754663.html

Вязкое (жидкое) трение — Класс!ная физика

Интересно, что абсолютно сухие тела в природе практически не встречаются. При любых условиях содержания техники на поверхности твердого вещества образуются тонкие пленки атмосферных осадков, жиров и т.д. Трение между твердым телом и жидкостью или газом называется вязким или жидким трением.

Где возникает вязкое трение?

• Вязкое трение возникает при движении твёрдых тел в жидкой или газообразной среде, или когда сама жидкость или газ текут мимо неподвижных твёрдых тел.
• Какова причина вязкого трения?
• Причина возникновения вязкого трения — это внутреннее трение.

Если твёрдое тело движется в неподвижной среде, прилипший к нему слой воды или воздуха перемещается вместе с ним. При этом он скользит вдоль соседнего слоя. Возникает сила трения, увлекающая этот слой.

Он приходит в движение и в свою очередь увлекает следующий слой и т. д. Чем дальше от поверхности тела, тем медленнее движутся слои жидкости или газа. Сила трения между слоями тормозит более быстрые слои и, значит, само твёрдое тело. Оно тормозится непосредственно вязким трением. То же самое происходит, когда поток жидкости или газа течёт мимо неподвижного тела.

Интересные особенности вязкого трения!

ОПЫТ.

Налейте в тарелку немного воды и опустите туда щепку. Подуйте на щепку – она поплывёт по воде. И даже если вы подули слабо, щепка всё равно сдвинется с места. Главное отличие вязкого трения от сухого состоит в том, что не существует вязкого трения покоя!

Как бы ни мала была сила тяги, действующая на тело, она сразу же вызывает движение тела в жидкости. Чем меньше эта сила, тем медленнее будет плыть тело.

От чего зависит сила трения в жидкости или газе?

Сила трения, испытываемая движущимся телом, например, в жидкости, зависит от скорости движения, от формы и размеров тела и от свойств жидкости.

При малых скоростях движения сила сопротивления прямо пропорциональна скорости движения и линейному размеру тела.  Тела испытывают тем большую силу противления, чем более густой (вязкой) будет среда. А жидкости могут быть не вязкие, как вода, или очень вязкие, как мед. У воды вязкость меньше, чем у клея, а у клея – меньше, чем у смолы.

Вязкость зависит от температуры жидкости. Например, зимой мотор стоявшего на морозе автомобиля приходится разогревать. Делается это для того, чтобы согреть застывшее масло, залитое в мотор Вязкость застывшего масла больше , чем у нагретого, и мотор не может быстро вращаться.

Наоборот, вязкость газов с понижением температуры падает.

При увеличении скорости тела меняется сопротивления среды. Оно зависит от характера обтекания движущегося в нем тела. На больших скоростях позади движущегося тела возникает сложное турбулентное течение, образуются причудливые фигуры, кольца и вихри.

Турбулентное сопротивление движению зависит уже от плотности среды, квадрата скорости тела и размеров (в квадрате) тела. Турбулентное сопротивление уменьшается во много раз после придания движущемуся телу обтекаемой формы. Наилучшей для тела, движущегося в толще жидкости или газа, является форма, тупая спереди и острая сзади (например, у дельфинов и китов).

Давным-давно …

На некоторых древних рисунках, найденных в пирамидах, изображены египтяне, подливающие молоко под полозья саней, на которых они волокут каменные глыбы.

В дошедших до нас опорах колодезных воротов времен бронзового века (V век до н. э.) обнаружены следы оливкового масла, которое помогало ослабить трение.

Что же такое «смазка»?

Так говорят о смазке: «идёт как по маслу».

Там, где приходится иметь дело со скольжением сухих поверхностей, их стараются сделать мокрыми, смазать. Втулки колёс мажут дёгтем или тавотом; в подшипники заливают масло, набивают солидол. На электростанциях, есть даже специальная должность маслёнщика, подливающего из маслёнки смазку в трущиеся части. На железной дороге тоже есть смазчики. Благодаря смазке трение уменьшается в 8–10 раз.

Какие натуральные жидкости лучше подходят для смазки?

Это растительные жиры, масло, говяжье или свиное сало, дёготь. Но с развитием техники были найдены другие, более дешёвые смазочные материалы — минеральные масла, получающиеся при переработке нефти.

В качестве современных смазочных веществ можно назвать машинное, авиационное, дизельное масла, тавот, солидол, технический вазелин, автол, нигрол, веретенное масло, ружейное масло.

Выяснилось, что чем массивнее вращающаяся, например, деталь, тем гуще должна быть смазка. Тяжёлые валы гидротурбин смазывают густым тавотом, а ходовые части карманных часов – жидким и прозрачным костяным маслом. Хорошая смазка должна обладать «маслянистостью».

Тогда при остановке машины в зазоре между трущимися частями остаётся тончайший слой смазки, и при пуске машины в ход не приходится преодолевать трения покоя между совсем сухими поверхностями. Этим понижает трение и износ трущихся деталей.

При работе машины смазка разогревается и частично теряет свои свойства, поэтому для охлаждения смазки применяют специальные приспособления. А еще созданы такие смазочные смеси, которые хорошо работают даже на очень большом морозе.

А вот самую распространенную в природе жидкость — воду редко используют в качестве смазки. Она обладает малой вязкостью и, кроме того, вызывает коррозию многих металлов.

Ух, ты!

Неосторожность с огнем — главная причина пожара для всех сооружений. А вот для ветряных мельниц, сейчас практически исчезнувших, одной из основных причин пожара был сильный ветер, так как при сильном ветре у них часто загоралась ось от трения!!!

Если в брезентовый пожарный шланг подавать воду под большим давлением, его может разорвать. А если брезент взять попрочнее? Американские пожарные провели такой эксперимент. Шланг не разорвало, но когда скорость потока воды достигла 100 литров в секунду, то шланг загорелся от трения воды о брезентовые стенки!

Интересно!

Есть жидкость, которая увеличивает трение. Это – гудрон!

При смазывании трущихся поверхностей смазкой сухое трение заменяется вязким и уменьшается.

Жидкости являются смазкой при трении, но при вытаскивании из деревянного изделия, долго находившегося под дождем или в сыром месте, вбитых гвоздей нужно приложить куда больше усилий, чем при вытаскивании из сухой! Дело в том, что промежутки между частичками древесины, набухшей от влаги, увеличиваются, и гвоздь сильнее сжимается волокнами древесины, при этом сила трения увеличивается.

Когда приливная волна движется по океанскому дну, силы трения приводят к замедлению вращения Земли и удлинению суток.

Вязкое трение приводит к потере механической энергии движущегося тела, т.к. тормозит его. Но это не значит, что ,например самолет будет лучше» лететь в среде, лишенной вязкого трения. Самолет в таком воздухе вообще не сможет взлететь, т.к. подъемная сила его крыла и сила тяги его воздушного винта будут равны нулю!

Линейная скорость спутника, движущегося в разреженных слоях атмосферы, из-за сопротивления воздуха увеличивается! Парадокс объясняется тем, что уменьшается радиус орбиты и часть потенциальной энергии спутника преобразуется в кинетическую.

Для судна водоизмещением около 35 тыс. т и длиной около 180 м потери на трение о воду при ходе 14 узлов соcтавляют примерно 75 % общей мощности, а остальные 25 % затрачиваются на преодоление волнoвoгo сопротивления. Интересно, что этот последний вид потерь значительно уменьшается при движении тела в подводном положении.

Наша aтмосфера у земной поверхности примерно в 800 раз менее плотна, чем вода, но и она может создать огромное противодейcтвие движению. Так, обычный поезд при скорости 200 км/ч затрачивает на преодоление сопротивления воздуха около 70 % всей мощности. Даже при хорошо обтекаемой форме эта цифра не снижается ниже половины всей мощности.

Уже первые летательныe аппараты отчетливо ощутили гигантскую силу сопротивления воздуха. И с этого момента снижение лобового сопротивления за счет лучшей обтекаемости стало одной из главных проблем развития авиации.

Ведь трение о воздух не только поглощает энергию двигателей, но и приводит к опасному перeгреву самолета в плотных слоях атмосферы.

Но в то же время набегающий поток служит одним из источников подъемной силы самолетов

Источник: Л.П.Лисовский. «Трение в природе и технике», журн. «Квант» .

Назад в раздел «В мире трения»

Источник: http://class-fizika.ru/tren14.html

Образовательный портал Claw.ru. Всё для учебы, работы и отдыха. Шпаргалки, рефераты, курсовые. Сочинения и изложения. Конспекты и лекции. Энциклопедии. Учебники



Трение 

План реферата

Трение

1. Трение покоя, скольжения
2. Трение качения
3. Сопротивление среды

Почему звучит скрипичная струна, когда по ней ведут смычком? Ведь смычок движется, а колебания струны периодические. А как разгоняется автомобиль, и какая сила замедляет его при торможении? Почему автомобиль “заносит” на скользкой дороге? Ответы на все эти и многие другие важные вопросы, связанные с движением тел, дают законы трения.

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

Очень красочно пишет о роли трения французский физик Гильом:

“Всем нам случалось выходить в гололедицу; сколько усилий стоило нам удерживаться от падения, сколько смешных движений приходилось нам проделать, чтобы устоять! Это заставляет нас признать, что обычно земля, по которой мы ходим, обладает драгоценным свойством, благодаря которому мы сохраняем равновесие без особых усилий.

Та же мысль возникает у нас, когда мы едем на велосипеде по скользкой мостовой или когда лошадь скользит по асфальту и падает. Изучая подобные явления, мы приходим к открытию тех следствий, к которым приводит трение. Инженеры стремятся по возможности устранить его в машинах – и хорошо делают.

Во всех прочих случаях мы должны быть благодарны трению: оно даёт нам возможность ходить, сидеть и работать без опасения, что книги и чернильница упадут на пол, что стол будет скользить, пока не упрётся в угол, а перо выскальзывать из пальцев.

Трение представляет настолько распространенное явление, что нам, за редкими исключениями, не приходится призывать его на помощь: оно является к нам само.

Трение способствует устойчивости. Плотники выравнивают пол так, что столы и стулья остаются там, куда их поставили. Блюдца, тарелки, стаканы, поставленные на стол, остаются неподвижными без особых забот с нашей стороны, 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 не окажется на одном уровне. Не будь трения, Земля представляла бы шар без неровностей, подобно жидкому”.

К этому можно прибавить, что при отсутствии трения гвозди и винты выскальзывали бы из стен, ни одной вещи нельзя было бы удержать в руках, никакой вихрь никогда бы не прекращался, никакой звук не умолкал бы, а звучал бы бесконечным эхом, неослабно отражаясь, например, от стен комнаты.

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

“Лондон, 21. Вследствие сильной гололедицы уличное и трамвайное движение в Лондоне сильно затруднено. Около 1400 человек поступило в больницы с переломами рук, ног и т. д.”.

“При столкновении вблизи Гайд-Парка трёх автомобилей и двух трамвайных вагонов машины были уничтожены из-за взрыва бензина…”

“Париж, 21. Гололедица в Париже и его пригородах вызвала многочисленные несчастные случаи…”

Однако Ничтожное трение на льду может быть успешно использовано технически. Уже обыкновенные сани служат тому примером. Ещё лучше свидетельствуют об этом 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.

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

Трение

Трение покоя, скольжения

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

Механизм потерь иной. И здесь крайне неожиданным оказывается, что эмпирически это трение можно приближенно описать простым законом. Сила нужная для того, чтобы преодолевать трение и тащить один предмет по поверхности другого, зависит от силы, направленной по нормали к поверхностям соприкосновения.

Поверхность твёрдого тела обычно обладает неровностями. Например, даже у очень хорошо отшлифованных металлов в электронный микроскоп видны “горы” и “впадины” размером в 100-1000Е. При сжатии тел соприкосновение происходит только в самых высоких местах и площадь реального контакта значительно меньше общей площади соприкасающихся поверхностей.

Давление в местах соприкосновения может быть очень большим, и там возникает пластическая деформация. При этом площадь контакта увеличивается, а давление падает. Так продолжается до тех пор, пока давление не достигнет определённого значения, при котором деформация прекращается.

Поэтому площадь фактического контакта оказывается пропорциональной сжимающей силе.

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

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 обратна по направлению приложенной силе. Затем начинается движение.

Может показаться удивительным, но именно сила трения покоя

разгоняет автомобиль. Ведь при движении автомобиля колеса не проскальзывают относительно дороги, и между шинами и поверхностью дороги возникает сила трения покоя. Как легко видеть, она направлена в сторону движения автомобиля.

Величина этой силы не может превосходить максимального значения трения покоя. Поэтому если на скользкой дороге резко нажать на газ, то автомобиль начнет буксовать. А вот если нажать на тормоза, то вращение колёс прекратится, и автомобиль будет скользить по дороге.

Сила трения изменит своё направление и начнёт тормозить автомобиль.

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 и т.д.

Подобные, но уже вредные колебания могут возникнуть при обработке металла на токарном станке вследствие трения между снимаемой стружкой и резцом.

И если смычок натирают канифолью, чтобы сделать зависимость силы трения от скорости более резкой, то при обработке металла приходится действовать наоборот (выбирать специальную форму резца, смазку и т.п.).

Так что важно знать законы трения и уметь ими пользоваться.

Кроме сухого трения существует ещё так называемое жидкое трение, возникающее при движении твёрдых тел в жидкостях и газах и связанное с их вязкостью. Силы жидкого трения пропорциональны скорости движения и обращаются в нуль, когда тело останавливается. Поэтому 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. Эта важная особенность сил 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 концы проволочной вилки и прикрепим к ней снабженный очень чувствительный динамометр. Если тянуть за динамометр, то цилиндр покатится по столу.

При той же силе давления на стол сила трения качения много меньше силы трения скольжения. 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.

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.

Вместе с тем происходит отрыв участков одной поверхности от другой, а силы сцепления, действующие между этими поверхностями, препятствуют этому. Оба эти явления и вызывают силы трения качения. Чем твёрже поверхности, 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.

Как силы трения, сопротивление среды всегда направленно против движения. Сопротивление среды можно рассматривать как один из видов трения.

Особенностью сил трения в жидкости или газе является отсутствие трения покоя. Твёрдое тело лежащее на другом твёрдом теле, может быть сдвинуто с места, только если к нему приложена достаточно большая сила, превосходящая наибольшую силу трения покоя.

При меньшей силе твёрдое тело с места не сдвинется, сколько бы времени эта сила ни действовала. Картина получается иной, если тело находится в жидкости. В этом случае, чтобы сдвинуть с места тело, достаточно сколь угодно малых сил: хотя и очень медленно, но всё же тело начнёт двигаться.

Человек вообще никогда не сдвинет с места голыми руками камень весом в сто тонн. В то же время баржу весом в сто тонн, плавающую на воде, один человек, хотя и очень медленно, но всё же сможет двигать.

Однако по мере увеличения скорости сопротивление среды сильно увеличивается, так что, сколько бы времени сила не действовала, она не сможет разогнать тело до большой скорости.

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

Количественно вязкость определяется величиной касательной силы, которая должна быть приложена к единице площади сдвигаемого слоя, чтобы поддерживать в этом слое ламинарное течение с постоянной скоростью относительно сдвига, равной единице.

Силы внутреннего трения гораздо меньше сил трения скольжения. Поэтому 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. Вместе с тем следует избегать попадания жидкости между фрикционными муфтами, ремнём и шкивом в ременной передаче, ведущими колесами локомотива и рельсом и т.п.

, ибо во всех этих случаях именно сила трения служит для передачи движения.

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

Сопротивление воздуха

При движении твёрдого тела в воздухе на тело действует сила сопротивления воздуха, направленная противоположно движению тела. Такая же сила возникает, если на неподвижное тело набегает пучок воздуха; она направлена, конечно, по движению потока.

Сила сопротивления вызывается, во-первых, трением воздуха о поверхность тела и, во-вторых, изменением движения потока, вызванным телом. В воздушном потоке, изменённом присутствием тела, давление на передней стороне тела растёт, а на задней – понижается по сравнению с давлением в невозмущенном потоке.

Таким образом, создаётся разность давлений, тормозящая движущееся тело или увлекающая тело, погруженное в поток. Движение воздуха позади тела принимает беспорядочный вихревой характер.

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

Для всех тел, изображенных на рисунке, сопротивление движению одинаково, несмотря на весьма разные размеры тел.

“Обтекаемое” тело почти не нарушает правильности потока; поэтому давление на заднюю часть тела лишь немного понижено по сравнению с передней частью и сопротивление не велико.

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

Влияние сопротивления воздуха сильно сказывается и для наземных средств передвижения: с увеличением скорости автомобилей на преодоление сопротивления воздуха затрачивается всё большая часть мощности мотора. Поэтому современным автомобилям также придают по возможности обтекаемую форму.

Для уменьшения трения при сверхзвуковой скорости нужно заострять переднюю часть движущегося тела, в то время как при меньших скоростях наибольшее значение имеет “обтекаемость”.

Сопротивление воды

При движении тел в воде также возникаю силы сопротивления, направленные противоположно движению тела. Если тело движется под водой, то сопротивление теми же обстоятельствами, что и при движении в воздухе: трение воды о поверхность тела и изменением потока, создающим дополнительное сопротивление.

Быстро плавающие рыбы и китообразные имеют “обтекаемую форму тела, уменьшающую сопротивление воды при их движении. Обтекаемую форму придают и подводным лодкам.

Для обычных судов, идущих на поверхности воды, есть ещё дополнительное
волновое сопротивление

: от идущего судна на поверхности воды расходятся волны, на создание которых непроизводительно затрачивается часть работы судовой машины.

Для уменьшения волнового сопротивления, которое для быстроходных судов может составлять 3/4 полного сопротивления, корпусу судна придают специальную форму. Нос судна в подводной части иногда делают “бульбообразной” формы; при этом образование волн на поверхности воды уменьшается, а значит, уменьшается и сопротивление.

Заключение

Чем больше мы будем изучать законы трения, тем сложней, а не проще представятся они нам. Иными словами, всё глубже вникая в закон торможения самолёта, мы всё ясней будем понимать его “фальшь”.

Чем глубже взгляд, чем аккуратней измерения, тем сложнее становится истина; она не предстанет перед нами как итог простых фундаментальных процессов.

Тем больше человек понимание того, что, расширяя круг знаний человек расширяет круг своих не знаний.

Список основной литературы:

1. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сендс “ФЕЙНМАНОВСКИЕ ЛЕКЦИИ ПО ФИЗИКЕ” 1976г.
2. “ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ УЧЕБНИК ФИЗИКИ” под ред. Академика Г.С. Ландсберга 1971г.

Источник: https://claw.ru/a-exact/34538.htm

Силы сопротивления среды

Давление в газе или жидкости — это мера силы механического воздействия между элементами данной среды и элементами среды и другими телами. Оно равняется отношению силы к той площади, через которую осуществляется воздействие. Для всякой площадки в среде направление силы действия одного элемента среды на другой только нормальное (перпендикулярное площадке).

В каждой точке среды величина давления одинакова для всех нап­равлений, к которым это давление отнесено. Давление во всех точках среды, лежащих в одной горизонтальной плоскости, одно и то же. Давления по вертикали (в случае покоя среды) распре­деляются так, что разность дав­лений (F2—F1) равна весу вер­тикального столба среды (G).

• 
• a—статическая (выталкивающая. Q); б, в— динамические; б-лобового сопротивления,
• в — подъемная (Ry) (ориг.)

Человек всегда находится и передвигается в какой-либо среде—либо воздушной, либо водной. Он вступает в механиче­ское взаимодействие со средой. 'Силы ее действия могут проявляться статически (аэро-и гидростатика), например вытал­кивающая сила (по закону Ар­химеда), или динамиче­ски (аэро- и гидродинамика), например подъемная сила в потоке воздуха или воды.

Выталкивающая сила — это мера действия среды на погружен­ное в нее тело. Выталкивающая сила равна геометрической (век­торной) сумме сил, действующих на все элементы поверхности тела; она всегда равна по модулю весу вытесненного объема жид­кости или газа и направлена вверх.

Если тело весит больше, чем вытесненная им вода,то оно будеттонуть; при обратном соотношении будет всплывать.

Когда тело движется в среде, возникают дополнительные силы, за­висящие в основном от величины его скорости относительно среды (от­носительной скорости), формы тела, его ориентации по направлению относительного движения и свойств среды.

Движение тела в среде (или среды относительно тела) характеризует­ся линиями тока. Это линии, в каждой точке которых скорость частиц среды касательна. Скорости касательны и к линиям тока, и к траекториям частиц.

Но линии тока характеризуют направления ско­рости разных частиц в данный момент времени, а траектории — направления скорости одних и тех же час­тиц в различные моменты времени.

Только при по­стоянном распределении скоростей линии тока и траектории частиц сов­падают.Тело полностью обтекаемо, если линии тока рас­положены одинаково сверху и снизу тела, а также спереди и сзади. Правда, давление на тело с разных сторон различно.

По закону Бернулли, где скорость потока возрастает, давление уменьшается, и наоборот. Именно этим и объясняются изменения давлений (дополни­тельные силы).

Но это объяснение достаточно только для идеальной среды, в ко­торой отсутствует внутреннее трение (вязкость). Вследствие вязкости обтекание всегда неполное, и поэтому возникает лобовое соп­ротивление.

Лобовое сопротивление — это сила, с которой среда препятствует относительному движению в ней тела.

r — плотность среды (воды — 1000 кг/м3, воздуха — 1,3 кг/м3; разница в плотности этих сред—почти в 780 раз); v—относительная скорость потока и тела.

Перед телом давление повышено, так как скорость тока снижена (поджатие). Сзади тела силы трения вызывают отрыв потока от стенок тела, возникают завихрения, создается зона пониженного давления (разрежение). Равнодействующая сил давления на тело спереди исза­ди направлена назад и тормозит движение тела.

Тело с более обтекаемой формой имеет меньше завихрений сзади. Поэтому сопротивление среды может в зависимости от формы тела сни­зиться при прочих равных условиях в десятки раз (см. рис. 31, б).

Таким образом, лобовое сопротивление зависит от разности давлений спереди и сзади тела в потоке (сопротивление формы) и трения меж­ду телом и пограничным слоем среды (сопро­тивление трения).

Когда поверхность тела образует угол с направлением потока (угол атаки а), возникает еще подъемная сила (R„, см. рис. 31, в). При этом давление снизу тела несколько больше давления в потоке, а давление сверху тела намного меньше; тело не столько подпирается снизу, сколь­ко «подсасывается» кверху.

Подъемная сила — это сила, действующая со стороны среды на тело, расположенное под углом к потоку. Подъемная сила зави­сит от тех же факторов, что и лобовое давление: Ry=SCyrv2, где Су — коэффициент подъемной силы.

Подъемная сила увеличивается в известных пределах с увеличе­нием угла атаки, а потом начинает падать.

Равнодействующая лобового давления и подъемной силы (она же равнодействующая сил давления и трения) при движении в воздухе называется полной аэродинамической силой.

Лобовое сопротивление среды тормозит продвижение вперед, на­пример, при полете, плавании, скольжении, беге. Подъемная сила поддерживает тело, например тело прыгуна на лыжах с трамплина в полете, пловца в воде при продвижении его по дистанции.

Реакции опоры

Реакции опоры — это мера противодействия опоры при давлении на нее со стороны покоящегося или движущегося при контакте с ней тела. Реакция опоры равна по величине силе, с которой те­ло действует на опору, направлена в противоположную этой силе сторону и приложена к телу в той точке, через которую проходит линия силы, действующей на опору.

Человек может оказывать действие на опору не только по нормали к ней, но и под острым углом.Тогда направление полной реак­ции опоры не совпадает с нормалью. Горизонтальная составляющая полной реакции опоры называется силой трения, если поверхности, соприкасающиеся при опоре, ровные (без выступов).

Рис. 32. Силы опорной реакции:

1, 6 — статические; 2, 4 — уменьшенные; 3, 5 — увеличенные (ориг.)

Человек, находящийся на опоре (нижней или верхней), действует на нее статическим весом. В этом случае реакция опоры ста­тическая и равна весу тела (рис. 32).

При движении с ускорением частей тела человека, опирающегося на опору, возникает сила инер­ции тела человека, которая геометрически суммируется с его весом. Увеличенную или уменьшенную опорную реакцию обычно называют динамической.

Но правильнее говорить здесь о добавлении к статической еще и динамической составляющей опорной реакции, вызванной теми усилиями, которые определяют ускорение тела.

Линия действия силы опорной реакции при неподвижном положе­нии тела на опоре или же под опорой проходит через ОЦТ тела чело­века. Однако при движениях человека линия действия как нормаль­ной, так и полной опорной реакции (равнодействующая нормаль­ной реакции и силы трения по всем направлениям) почти никогда не проходит через ОЦТ.

Для анализа действия сил на наклонной плоскости опорная реак­ция может быть разложена на нормальную составляющую (перпендику­лярную плоскости) и касательную составляющую (параллельную пло­скости). Первая противодействует нормальной составляющей силы тяжести, вторая (сила трения) — силе, вызывающей скольжение тела.

Силы трения

Сила трения — это мера противодействия движению, направлен­ному по касательной к поверхности прикасающегося тела. Вели­чина силы трения (как составляющей реакции поверхности связи) зависит от воздействия движущегося или смещаемого тела; она направлена против скорости или смещающей силы и приложе­на в месте соприкосновения.

Силы трения (касательные реакции) возникают между соприкасаю­щимися телами во время их движения друг относительно друга (рис. 33)

Рис. 33. Силы трения (Т):

a-скольжения динамическая; б — скольжения статическая; в — момент трения качения (ориг.)

Различают три вида трения: трение скольжения, качения и верчения. При скольжении движущееся тело соприкасается с неподвижным одной и той же частью своей поверхности (лыжа скользит по снегу). При качении точки движущегося тела соприкасаются с дру­гим телом поочередно (колесо велосипеда катится по треку). Верчение характеризуется движением на месте вокруг оси (волчок).

Сила трения скольжения динамическая (движения) проявляется при движении тела, приложена к скользящему телу и направлена в сторону, противоположную относительной скорости его движе­ния.

Динамическая сила трения скольжения не зависит от вели­чины движущей силы и приближенно пропорциональна динами­ческому коэффициенту трения скольжения (kдин) и силе нормаль­ного давления на опору (N): Tдин=kдинN

Когда поверхности полностью разделены слоем смазки, то прояв­ляется жидкостное трение1 Оно существует между слоями жидкости, а также между жидкостью и твердым телом.

В противопо­ложность сухому трению (между твердыми телами без смазки), жид­костное трение проявляется только тогда, когда есть скорость.

С остановкой движущих­ся тел жидкостное трение исчезает, поэтому даже самая малая сила может сообщить скорость слоям жидкой среды, на­пример при движении твердого тела в воде.

Иная картина при сухом трении. Если приложить движущую силу к покоящемуся телу, то она сможет сдвинуть тело с места лишь тогда, когда станет больше силы трения покоя, препятствующей движению. Таким образом, сухое трение и жидкостное прин­ципиально различны.

Сила трения скольжения статическая (покоя) проявляется в по­кое, приложена к сдвигаемому телу, направлена в сторону, про­тивоположную сдвигающей силе.

Статическая сила трения сколь­жения равна сдвигающей силе, но не может быть больше предель­ной2; последняя пропорциональна статическому коэффициенту трения скольжения (kст) и силе нормального давления (N): Тст=kстN

Стало быть, статическая сила трения покоя мо­жет иметь величину от нулевой до предель­ной (неполная и полная). Минимальная сдвигающая сила, приводя­щая тело в движение, больше предельной силы трения покоя.

Отношение между величиной нормальной опорной реакции (равной силе нормального давления) и предельной силой трения покоя равно тангенсу угла (а), который называется углом трения (или углом сцеп­ления) (см. рис. 33, б).

Тангенс угла сцепления равен коэффициен­ту трения покоя. Фактический угол силы давления на опору в покое не может быть больше, чем угол трения. Это значит, что, пока линия действия силы, приложенной к телу, проходит внутри угла тре­ния, тело не может быть сдвинуто с места. Лишь когда линия действия силы окажется за пределами угла трения, тело будет сдвинуто.

На горизонтальной поверхности сила нормального давления обыч­но представлена статическим или динамическим весом (человек непод­вижен или отталкивается от опоры). Но могут быть и другие источники нормального давления, например при давлении, оказываемом ногами и спиной альпиниста на стенки камина (вертикальной расщелины в скалах),

Источник: https://megaobuchalka.ru/3/20071.html

Сила вязкого трения и сопротивления среды

Сила вязкого трения возникает между слоями одного и того же сплошного тела (жидкости или газа). Сила вязкого трения за­висят от относительной скорости смещения отдельных слоев газа или жидкости друг относительно друга. Например, вязкое трение возникает при течении жидкости или газа по трубам со скоростью (рис. 2.3).

Скорость слоев жидкости уменьшается при приближении их к стенкам трубы. Отношение разности скоростей в двух близких слоях, расположенных на расстоянии , называется средним градиентом скорости.

В соответствии с уравнением Ньютона модуль средней силы вязкого трения

Коэффициент вязкости зависит от агрегатного состояния и температуры вещества.

Коэффициент вязкости

Вещество	Вода	Водяной пар	Машинное масло	Воздух
t0C
	1,0	0,013	0,018

Сила сопротивления возникает при движении твердых тел в жидкости или газе. Модуль силы сопротивления пропорционален плотности среды , площади поперечного сечения движущегося тела S и квадрату его скорости

где [кг/м] – коэффициент сопротивления среды.

Тело, движущееся в среде испытывает действие силы вязкого трения (Fтр) и силы сопротивления (Fсопр). При небольших скоростях сила сопротивления меньше силы вязкого трения, а при больших – значительно превосходит ее (рис. 2.4).

При некотором значении скорости силы Fтр и Fсопр становятся равными по модулю.

Сила сопротивления среды зависит от формы движущегося тела. Форму тела, при которой сила сопротивления мала, называют обтекаемой. Ракетам, самолетам, автомобилям и другим машинам, движущимся с большими скоростями в воздухе или в воде, придают обтекаемую, каплеобразную форму

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/3_103093_sila-vyazkogo-treniya-i-soprotivleniya-sredi.html

Вязкое трение

Вязкое трение возникает, когда слои жидкости, газа движутся с разными скоростями относительно друг друга, или твёрдое тело перемещается в окружающей его жидкой или газообразной среде. При движении твёрдого тела в вязкой среде (жидкости или газе) на него, кроме силы вязкого трения, действует сила сопротивления среды, возникающая за счёт изменения силы нормального давления.

Пусть плоская пластинка движется в жидкости. Вектор скорости направлен по нормали к поверхности пластинки. Сила давления, действующая перпендикулярно к передней стороне пластинки, больше силы давления, приложенной к задней стороне.

Результирующая сила этих нормальных давлений имеет составляющую, направленную против движения тела, её называют силой сопротивления среды.

Так как сила трения и сила сопротивления среды зависят от скорости движения тела и качественно одинаково влияют на характер движения, то в механике их объединяют и условно называют силой вязкого трения F тр Сила вязкого трения F трм при малых значениях относительной скорости v линейно растёт с увеличением скорости v

Из формулы (2.36) следует, что когда тело покоится ( v =0) сила вязкого трения F тр. в равна нулю (F тр_ в= 0).

Таким образом, для вязкого трения, в отличие от сухого трения, характерно, что оно одновременно со скоростью V обращается в нуль, т.е. трение покоя в вязкой среде отсутствует.

Внешняя сила, даже очень малая по величине, может вызвать относительное движение слоёв среды. При больших относительных скоростях v линейный закон (2.36) переходит в квадратичный закон.

Сила вязкого трения F тр в растёт пропорционально скорости в квадрате

где /о — коэффициент пропорциональности. Он зависит от формы, размера тела, свойств его поверхности и среды.

Знак “минус” в формулах (2.36) и (2.37) говорит о том, что вектор силы вязкого трения F тр в направлен противоположно вектору скорости v.

Силы трения по своему характеру существенно отличаются от других сил, рассматриваемых в классической механике (упругих сил, силы всемирного тяготения и др.).Отличие состоит в то, что силы трения зависят не только от взаимного расположения тел, но и относительной скорости движения тел, между которыми они действуют.

Значение силы трения велико в природе и жизни человека. Например, сила трения, возникающая между подошвами обуви и землёй, при ходьбе человека, позволяет ему двигаться. Автомобиль движется под действием сил трения между шинами колёс и полотном дороги.

С сухим трением связано явление застоя. Тело не двигается, если действующая на него внешняя сила меньше максимальной силы трения покоя.

Например, явление застоя наблюдается в измерительных приборах, в которых результат измерения отсчитывается с помощью стрелки. Чем больше величина сухого трения, возникающего при вращении стрелки, тем больше ошибка измерения.

В явлениях заноса, возникающих, например, при торможении автомобиля на дороге или самолёта на взлётно-посадочной полосе проявляется трение скольжения.

Источник: https://bstudy.net/721443/estestvoznanie/vyazkoe_trenie