Лекция по физике на тему : Сила трения. Коэффициент трения. Силы упругости. Пластичность. Закон Гука

ПОАНО «ВМК» Тема занятия: Сила трения. Коэффициент трения.  Лекция №14.   Силы упругости. Пластичность. Закон Гука.  59 Цель занятия: Продолжить знакомить учащихся с силами всемирного тяготения, с основными проявлениями закона всемирного тяготения, дать понятие силы тяжести, веса тела, невесомости, выяснить природу сил упругости и трения, рассмотреть способы уменьшения и увеличения сил трения; научить учащихся находить информацию на заданную тему в различных источниках, сравнивать ее и критически осмысливать; учить учащихся выделять главное в информации и излагать ее в доступной для присутствующих в классе форме Сила трения. Трение –   один   из   видов   взаимодействия   тел.   Оно   возникает   при соприкосновении двух тел. Трение, как и все другие виды взаимодействия, подчиняется третьему закону Ньютона: если на одно из тел действует сила трения, то такая же по модулю, но направленная в противоположную сторону сила   действует   и   на   второе   тело.   Силы   трения,   как   и   упругие   силы, имеют электромагнитную природу. взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел. возникают   Они     вследствие Силами   сухого   трения называют   силы,   возникающие   при соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной   прослойки. соприкасающимся поверхностям.   Они   всегда   направлены по   касательной к Сухое   трение,   возникающее   при   относительном   покое   тел, называют трением   покоя.   Сила трения   покоя всегда   равна   по   величине внешней силе и направлена в противоположную сторону (рис. 1.13.1).ПОАНО «ВМК» 60 Рисунок 1.13.1. Сила трения покоя (υ = 0).  Сила   трения   покоя   не   может   превышать   некоторого   максимального значения (Fтр)max. Если внешняя сила больше (Fтр)max, возникает относительное проскальзывание.   Силу   трения   в   этом   случае   называют силой   трения скольжения.   Она   всегда   направлена   в   сторону,   противоположную направлению движения и, вообще говоря, зависит от относительной скорости тел. Однако, во многих случаях приближенно силу трения скольжения можно считать   независящей   от   величины   относительной   скорости   тел   и   равной максимальной   силе   трения   покоя.   Эта   модель   силы   сухого   трения применяется при решении многих простых физических задач (рис. 1.13.2). Рисунок 1.13.2. Реальная (1) и идеализированная (2) характеристики сухого тренияПОАНО «ВМК» 61 Опыт показывает, что сила трения скольжения пропорциональна силе нормального   давления   тела   на   опору,   а   следовательно,   и   силе   реакции опоры  Fтр = (Fтр)max  = μN. Коэффициент   пропорциональности μ называют коэффициентом   трения скольжения. Коэффициент трения μ – величина безразмерная. Обычно коэффициент трения меньше единицы. Он зависит от материалов соприкасающихся тел и от качества обработки поверхностей. При скольжении сила трения направлена по   касательной   к   соприкасающимся   поверхностям   в   сторону, противоположную относительной скорости (рис. 1.13.3). Рисунок 1.13.3. Силы   трения   при   скольжении   (υ ≠ 0).   –   сила   реакции опоры,  При   движении   твердого   тела   в   жидкости   или   газе   возникает силa  – вес тела,  вязкого трения. Сила вязкого трения значительно меньше силы сухого трения. Она также направлена в сторону, противоположную относительной скорости тела. При вязком трении нет трения покоя.ПОАНО «ВМК» 62 малых   скоростях Fтр ~  υ Сила вязкого трения сильно зависит от скорости тела. При достаточно  Fтр ~ υ2.   При   этом коэффициенты пропорциональности в этих соотношениях зависят от формы тела. ,   при   больших   скоростях Силы   трения   возникают   и   при   качении   тела.   Однако силы   трения качения обычно достаточно малы. При решении простых задач этими силами пренебрегают. Модель. Движение по наклонной плоскости Коэффициент трения. Коэффициент   трения устанавливает   пропорциональность   между силой трения и   силой   нормального   давления,   прижимающей   тело   к   опоре. Коэффициент трения является совокупной характеристикой пары материалов которые соприкасаются и не зависит от площади соприкосновения тел. Виды трения Трение   покоя проявляется   в   том   случае,   если   тело   находившееся   в состоянии   покоя,   приводится   в   движение.   Коэффициент   трения   покоя обозначается μ0.ПОАНО «ВМК» 63 Трение   скольжения проявляется   при   наличии   движения   тела,   и   оно значительно меньше трения покоя. μск < μ0 Трение качения проявляется в том случае, когда тело катится по опоре, и оно значительно меньше трения скольжения. μкач <<μск Сила   трения   качения   зависит   от   радиуса   катящегося   предмета.   В типичных   случаях   (при   расчетах   трения   качения   колес   поезда   или автомобиля),   когда   радиус   колеса   известен   и   постоянен,   его   учитывают непосредственно в коэффициенте трения качения μкач. Определение коэффициента трения Коэффициент   трения   можно   определить   экспериментально.   Для этого помещают тело на наклонную плоскость, и определяют угол наклона при котором: коэффициент трения покоя тело начинает двигаться (коэффициент трения покоя μ0) коэффициент трения скольжения тело движется с постоянной скоростью (коэффициент трения скольжения μ). μFн= Fс μGcos(α)= Gsin(α) μ=tg(α) 3 4 5 Здесь: μ —   искомый   коэффициент   трения, α — угол наклона плоскости Сила упругости. ии С ла   упр гости   —   сила,   возникающая   в   теле   в   результате   его уи деформации и стремящаяся вернуть его в исходное (начальное) состояние.ПОАНО «ВМК» 64 В случае упругих деформаций является потенциальной. Сила упругости имеет электромагнитную природу, являясь макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия. В простейшем случае растяжения/сжатия тела   сила   упругости   направлена   противоположно   смещению   частиц   тела, перпендикулярно поверхности. Вектор   силы   противоположен   направлению   деформации   тела (смещению его молекул). Если исчезает деформация тела, то исчезает и сила упругости. В Международной системе единиц (СИ) сила упругости так же, как и все другие силы, измеряется в ньютонах (русское обозначение: Н; Пластичность. ии Пласт чность   —   способность   материала   без   разрушения   получать большие  остаточные  деформации. Свойство   пластичности имеет решающее значение   для   таких   технологических   операций,   как   штамповка,   вытяжка, волочение,   изгиб   и   др.   Мерой   пластичности   являются   относительное δ ψ ,   определяемые   при   проведении удлинение     и   относительное   сужение   δ , тем более пластичным считается испытаний на растяжение. Чем больше  материал.   По   уровню   относительного   сужения     можно   делать   вывод   о технологичности   материала.   К   числу   весьма   пластичных   материалов ψ относятся   отожженная   медь,   алюминий,   латунь,   золото,   малоуглеродистая сталь и др. Менее пластичными являются дюраль и бронза. К числу слабо пластичных материалов относятся многие легированные стали. У пластичных материалов прочностные характеристики на растяжение и сжатие сопоставляют по пределу текучести. Принято считать, что  т.р т.с. Деление материалов на пластичные и хрупкие является условным не σ ≈σ только потому, что между теми и другими не существует резкого перехода в .   В   зависимости   от   условий   испытания   многие   хрупкие значениях     и   δ ψПОАНО «ВМК» материалы   способны   вести   себя   как   пластичные,   а   пластичные   —   как хрупкие. 65 Очень   большое   влияние   на   проявление   свойств   пластичности   и хрупкости   оказывают   скорость   натяжения   и   температура.   При   быстром натяжении более резко проявляется свойство хрупкости, а при медленном — свойство пластичности. Например, хрупкое стекло способно при длительном воздействии   нагрузки   при   нормальной   температуре   получать   остаточные деформации. Пластичные же материалы, такие как малоуглеродистая сталь, под воздействием резкой ударной нагрузки проявляют хрупкие свойства. Бесконечно сложной кажется на первый взгляд картина взаимодействий в природе. Однако все их многообразие сводится к очень небольшому числу фундаментальных сил. Что   это   за   фундаментальные   силы?   Сколько   их?   Каким   образом сводится к ним вся сложная картина связей в окружающем нас мире? Об этом мы и поговорим с вами на сегодняшнем уроке. Рассмотрим понятие СИЛА в повседневной речи. Почти в любом толковом словаре объяснению этого слова отводится едва ли не самое большое место. В словаре В.Даля можно прочесть: “  сила – это источник, начало, основная   причина   всякого   действия,   стремления, побуждения,   всякой   вещественной   перемены   в   пространстве,   или:   движения, “начало изменяемости мировых явлений” А   как   вам   нравится   еще   одно   определение   силы   у   того   же   В.Даля: “Сила  –  есть  отвлеченное  понятие  общего  свойства  вещества,   тел, ничего  не  объясняющее,   а собирающее   только  все  явления   под   одно общее понятие и название”.ПОАНО «ВМК» 66 Учащиеся обсуждают оба определения и высказывают свою точку зрения по данному вопросу. Разнообразие   смыслов,   в   которых   употребляется   слово   “СИЛА”, поистине удивительно: здесь физическая сила и сила воли, лошадиная сила и сила убеждения, стихийные силы и силы страсти и т.д. Но,   может   быть,   словарь   В.Даля   устарел?   Обратимся   к   словарю русского языка С.И.Ожегова, который составлен в 1953 году. Здесь мы не найдем вообще единого определения этого слова, зато увидим сразу десять различных толкований от “центробежной силы” до “силы привычки”, “силы возможности”. Мы   же   с   вами   сегодня   будем   говорить   о   тех   силах,   которые являются предметом изучения в физике. В   механике   в   основу   понимания   силы   легли   ощущения,   которые появляются у человека при поднимании груза, при приведении в движение окружающих   тел   и   своего   собственного   тела.   Объяснение   искали метафизическое, как и многим другим явлениям и понятиям в те времена. “Подобно   тому,   ­   рассуждали   ученые   древности   –   как утомленный   путник   ускоряет   шаги   по   мере   приближения   к   дому, падающий   камень   начинает   двигаться   все   быстрее   и   быстрее, приближаясь   к   матери   –   Земле.   Как   это   ни   странно   для   нас, движение живых организмов, например, кошки, казалось в те времена гораздо более простым и понятным, чем падение камня”.  [Лауэ “История физики”] Только Галилею и Ньютону удалось целиком освободить понятие силы от “стремлений” и “желаний”. Классическая механика Галилея и Ньютона стала колыбелью научного понимания слова “сила”.ПОАНО «ВМК» 67 Количественная мера воздействия тел друг на друга называется в механике силой. Сколько же различных типов сил существует в природе? Оказывается, несмотря на удивительное многообразие взаимодействий, в природе имеется не более четырех типов взаимодействий. Какие же они? (Ответ учащихся о четырех типах взаимодействия) Так   уж   устроен   пытливый   человеческий   ум,   что   его   привлекают необъяснимые явления, происходящие в природе. Датский   ученый  Тихо   Браге  многие   годы   наблюдал   за   движением планет и накопил многочисленные данные, которые впоследствии и обработал его   ученик  Иоганн   Кеплер,   создавший   законы   движения   планет   вокруг Солнца. Но он не сумел объяснить причину движения планет. На этот вопрос сумел ответить Исаак Ньютон, используя законы движения планет Кеплера, сформулировавший общие законы динамики. Ньютон предположил, что ряд явлений, казалось бы не имеющих ничего общего, (падение тел на Землю, обращение планет вокруг Солнца, движение Луны   вокруг   Земли,   приливы   и   отливы   и   т.д.)   вызваны   одной   причиной. Окинув   единым   взором   “земное”   и   “небесное”,   Ньютон   предположил,   что существует единый закон Всемирного тяготения, которому подвластны все тела Вселенной – от яблок до планет! В чем же заключается суть закона Всемирного тяготения? (Учащиеся   рассказывают   о   силах   всемирного   тяготения   и формулируют закон). Следующие силы с которыми мы знакомы –это сила упругости и сила трения 1. Природа силы упругости Вследствие   каких­либо   деформаций   тела   всегда   возникают   силы, препятствующие   деформациям;   эти   силы   направлены   в   сторонуПОАНО «ВМК» восстановления   прежних   форм   и   размеров   тела,   т.е.   направлены противоположно деформації. их называют силами упругости. 68 Сила упругости ­ это сила, возникающая в результате деформации тела и направленная противоположно направлению смещения частиц в процессе деформации. Любое   тело   состоит   из   частиц   (атомов   или   молекул),   а   те,   в   свою очередь,   состоят   из   положительного   ядра   и   отрицательных   электронов. Между   заряженными   частицами   существуют   силы   электромагнитного притяжения и отталкивания. Если частицы находятся в состоянии равновесия, то силы притяжения и отталкивания урвновешивают друг друга. В   случае   деформации   тела   происходят   изменения   во   взаимном расположении частиц. Если расстояние между частицами увеличивается, то электромагнитные силы притяжения превышают силы отталкивания. Если же частицы сближаются, то преобладают силы отталкивания. Силы, возникающие в результате изменения расположения частиц очень малы. Но вследствие деформации изменяется расположение очень большого количества   частиц,   поэтому   равнодействующая   всех   сил   уже   является значительной. Это и есть сила упругости. Следовательно, сила упругости по своему происхождению ­ электромагнитная сила.  Механическое напряжение Состояние упруго деформированного тела характеризуют физической величиной, называется механическим напряжением. Будем растягивать с определенной силой металлический стержень. В любом   сечении S деформированного   стержня   возникают   силы   упругости, которые препятствуют его разрыву.ПОАНО «ВМК» σ 69 Механическое   напряжение     ­   это   физическая   величина,   которая характеризует   деформированное   тело   и   равен   отношению   модуля   силы упругости Fnp к площади поперечного сечения тела S: Единица механического напряжения в СИ ­ паскаль (Па).  Опыты показывают, что: в   случае   незначительных   упругих   деформаций   механическое напряжение пропорционально относительному удлинению: Коэффициент   пропорциональности  Е  называется   модулем   упругости, или модулем Юнга. Модуль   Юнга   ­   это   физическая   величина,   которая   характеризует сопротивляемость материала упругой деформации растяжения или сжатия. Поскольку   относительное   удлинение   ε   ­   безразмерная   величина,   то единица модуля Юнга в СИ ­ паскаль (Па).  Закон Гука В 7 классе мы изучали закон Гука: в   пределах   упругой   деформации   сила   упругости   прямо пропорциональна абсолютному удлинению пружины:  Жесткость пружины определяется по формуле: Отсюда следует, что единица жесткости в системе  СИ измеряется в Н/м. Покажем,  что   выражение   также   является   законом   Гука,   но   в другой форме записи.ПОАНО «ВМК» 70 По определению,   а относительное удлинение   Тогда с учетом формулы   получаем: Отсюда: где   ­   коэффициент   жесткости.   Следовательно,   коэффициент жесткости зависит от упругих свойств материала, из которого изготовлено тело, и его геометрических размеров. Прямую   пропорциональную   зависимость   между   силой   упругости   и удлинением используют в динамометрах. Сила упругости часто работает в технике и природе: в часовых механизмах, в амортизаторах на транспорте, в канатах, тросах, в человеческих костях и мышцах т.д. 2 Сила трения Жизнь – это движение!!! Без каких сил невозможно движение? ( Без сил трения.) Что вы знаете об этой силе?  ( Рассказ о силе трения, о силе трения покоя, о силе трения скольжения.).  Еще   один   вид   сил   электромагнитного   происхождения,   с   которыми имеют   дело   в   механике,   ­   это   силы   трения.   Эти   силы   действуют   вдоль поверхности тел при их непосредственном соприкосновении. Главная   особенность   сил   трения,   отличающая   их   от   сил   упругости, состоит в том, что они зависят от скорости движения тел относительно друг друга. Попробуем разобраться, от чего зависят силы трения.ПОАНО «ВМК» 71 Силы,   действующие   между   поверхностями   соприкасающихся твердых тел, называются силами трения. Они   всегда   направлены   по   касательной   к   соприкасающимся поверхностям. Различают: силу трения покоя, силу трения скольжения, силу трения качения. Установлено, что Fтр.пок>Fтр. ск.; Fтр.ск.>Fтр. кач.. Сила трения не зависит от площади контактирующих поверхностей. Сила трения зависит от вида соприкасающихся поверхностей. На более гладкой поверхности, сила трения меньше, чем на шероховатой. Сила   трения   зависит   от   массы   тела   (силы   реакции   опоры),   т.е.   чем больше масса тела, тем больше сила трения. При движении тела в жидкости или газе сила трения уменьшается. При медленном движении сила трения пропорциональна скорости движения; при быстром движении­ квадрату силы трения. Сила трения скольжения зависит от нормального давления (или силы реакции   опоры),   от   состояния   и   вида   поверхностей   (описываются коэффициентом   трения   скольжения),  что   в  итоге   приводит   к   следующему закону для силы трения F=µN. Трение сопровождает нас повсюду. В одних случаях оно полезно, и мы стараемся его увеличить. В других – вредно, и мы ведем с ним борьбу. Привести примеры полезного и вредного трения и методы борьбы с ним. Закрепление 1. Чтобы растянуть пружину на 2 см, нужно приложить силу в 10 Н. Какую силу нужно приложить, чтобы растянуть пружину на 6 см? на 10 см? 2. Вычислите массу груза, висящего на пружине жесткостью 100 Н/м, если удлинение пружины равно 1 см?ПОАНО «ВМК» 72 3.   Вследствие   сжатия   буферной   пружины   на   3   см   возникает   сила упругости 6 кН. На сколько вырастет эта сила, если сжать пружину еще на 2 см? Подведём итог Положение  с силами  в механике   вряд  ли  можно  назвать  блестящим. Остается не до конца выясненным вопрос о том, вследствие каких физических процессов появляются те или иные силы. Это понимал и Исаак Ньютон. Ему принадлежат слова: “Я не знаю, чем я кажусь миру; мне же самому кажется, что я был только мальчиком, играющим на берегу моря и развлекающимся тем,   что   время   от   времени   находил   более   гладкий   камушек   или   более красивую раковину, чем обыкновенно, в то время как великий океан истины лежал передо мной совершенно неразгаданный…” [И.Ньютон] ­Как вы понимаете слова Ньютона? ­О каком океане истины идет речь в его словах? Итог занятия       Что нового вы узнали сегодня на занятии? Какова особенность силы трения? Как зависит сила сопротивления от скорости движения тела? Какая деформация называется упругой? Какие силы являются следствием деформации тела? Сколько же различных типов сил существует в природе?