Влияние силы трения на безопасность движения в школе и за ее пределами.

Муниципальное общеобразовательное учреждение средняя

общеобразовательная школа № 6 г.Бикина

Бикинского муниципального района

Хабаровского края

Влияние силы трения

на безопасность движения

в школе и за её пределами

Выполнили:

Панжина Марина

Присмотрова Надежда,

учащиеся 10 с/э класса

Руководитель:

Молчанова А.Ю.,

учитель физики                                                учитель физики

                                                     г.Бикин

2011 г

Содержание:

Введение                                                                                                3

Теоретическая часть                                                                                5

Практическая часть                                                                                15

Заключение                                                                                        21

Литература                                                                                                22

1. Введение

Актуальность

         Наше государство заботиться о сохранение здоровья нации, но невозможно сохранить здоровье нации без просветительской работы среди подростков, так как каждый должен знать опасные участки, где они могут поскользнуться и получить травму. В нашей школе обучаются учащиеся со всего города, и маршрут их движения до школы самый разнообразный: от неасфальтированной дороги до брусчатки. Чтобы проверить безопасность движения учеников в школе и за ее пределами и для предотвращения травматизма, мы решили провести исследовательскую работу в этой области. В этом и заключается актуальность нашей работы.

Наглядный урок, убеждающий нас в огромной важности трения, даёт нам гололедица. Застигнутые  на улице, мы оказываемся беспомощными, и все время рискуем упасть. Однако ничтожное трение на льду может быть успешно использовано технически. Уже обыкновенные сани служат тому примером.  Еще лучше свидетельствует об этом так называемые ледяные дороги, которые устраивали для вывозки леса с места рубки к железной дороге.

Цель:

Изучить влияние силы трения на безопасность движения в школе и за ёё пределами.

Задачи:

1.Выявить наиболее опасные участки в школе, а также за ее пределами, на которых учащиеся могут поскользнуться, получить травму. Например, в коридорах школы – линолеум, в столовой и на первом этаже – бетон, в спортивном зале – деревянный пол. За пределами школы – это лёд, асфальт, земля.

2.Рассчитать коэффициент трения в разных участках школы.

3.Дать практические рекомендации о том, какие типы покрытий можно использовать в школах, так как изучив такие документы, как «Санитарные правила и нормы в организации деятельности образовательных учреждений» этой информации нет.

План работы:

1. Сбор теоретического материала по выбранной теме

2. Вывод расчетных формул

3. Проведение экспериментов

4. Получение и обработка экспериментальных данных

5. Сравнительный анализ различных типов покрытий

6. Рекомендации по типам покрытий в школьных помещениях

Методы исследования:

1. Изучение научной литературы

2. Проведение экспериментов

3. Сравнительный анализ полученных результатов

2.  Теоретическая часть

ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ТРЕНИЯ

Первое исследование  законов трения принадлежит знаменитому   итальянскому ученому и художнику  Леонардо да Винчи (15 век):сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна   силе прижатия, направлена против направления движения и не зависит от площади контакта соприкасающихся поверхностей.

Он измерял силу трения, действующую на деревянные  бруски, скользящие по доске, причем, ставя бруски на разные грани, определял зависимость силы трения от площади опоры. Но, к сожалению, работы Леонардо да Винчи не были опубликованы.

Однако только в конце 18 века законы трения скольжения были сформулированы французскими физиками Гильомом Амонтоном (1663–1705) и независимо от него Шарлем Кулоном (1736– 1806). Кулон экспериментально установил, что сила трения  Fтр не зависит от площади поверхности, вдоль которой тела соприкасаются, и пропорциональна силе  нормального давления  N  , с которой одно тело действует на другое. Аналитический вид этого закона

                                        Fтр =µN .

Ученые  Г. Амонтон и  Ш.О. Кулон открыли классические законы трения.  Вот эти законы:

1. Величина силы трения F прямо пропорциональна величине силы нормального давления N тела на поверхность, по которой движется тело, т.е. F = m N;
2. Сила трения не зависит от площади контакта между поверхностями;
3. Коэффициент трения зависит от свойств трущихся поверхностей;
4. Сила трения не зависит от скорости движения тела.

С  давних  времен  было известно, что смазанные жиром или даже просто смоченные водой поверхности скользят значительно легче.  В 1886 году О. Рейнольдс  создал первую теорию смазки. А в   начале 20 века  появилась  трибология – наука изучающая трение.

ПОНЯТИЕ « СИЛА ТРЕНИЯ»

В  земных условиях трение  всегда сопутствуют любому движению тел. При всех видах механического движения одни тела соприкасаются либо с другими телами, либо с окружающей их сплошной жидкой или газообразной средой. Такое соприкосновение всегда оказывает большое влияние на движение. Возникает сила трения, направленная противоположно движению.

Природа силы трения - электромагнитная. Это означает, что причиной её возникновения являются силы взаимодействия между частицами, из которых состоит вещество. Второй причиной возникновения силы трения является шероховатость поверхности. Выступающие части поверхностей задевают друг за друга и препятствуют движению тела. Но если бы этих бугорков не было, то это не значило бы, что сдвинуть предмет или тащить его стало бы легче. Возник бы так называемый эффект прилипания, который вы легко обнаружите, пытаясь, скажем, сдвинуть стопку книг в глянцевой обложке вдоль поверхности полированного стола. Именно поэтому для движения по гладким (полированным) поверхностям требуется прикладывать меньшую силу, чем для движения по шероховатым. Трение принимает участие (и притом весьма существенное) там, где мы о нём даже не подозреваем.

Межмолекулярное  притяжение, действующее  в  местах  контактах  трущихся  тел

Таким образом, Сила трения – это сила, возникающая при движении или попытки движения одного тела по поверхности другого и направленная вдоль соприкасающихся поверхностей против движения. Причины возникновения сил трения служат шероховатости соприкасающихся поверхностей и взаимные притяжения молекул этих поверхностей. Вот еще одно определение: трение — процесс взаимодействия твёрдых тел при их относительном движении (смещении) либо при движении твёрдого тела в газообразной или жидкой среде. По-другому называется фрикционным взаимодействием (англ. friction). Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется механикой фрикционного взаимодействия, или трибологией.

Закон Амонтона – Кулона выглядит следующим образом:

Fтр = µN,

где N – реакция опоры, а Fтр - сила трения, является единственной формулой, фигурирующей в учебниках по физике, а значения коэффициента трения µ для различных материалов (сталь по стали, сталь по бронзе, чугун по коже и т.д.) входят в стандартные инженерные справочники и служат базой для традиционных технических расчетов.

Однако уже в XIX веке стало ясно, что закон Амонтона-Кулона не дает правильного описания силы трения, а коэффициенты трения отнюдь не являются универсальными характеристиками. Прежде всего было отмечено, что коэффициенты трения зависят не только от того, какие материалы контактируют, но и от того, насколько гладко обработаны контактирующие поверхности.

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.

Приборы, с помощью которых производят измерение сил трения скольжения, называются трибометрами.  Рассмотрим  суть  метода  измерения  сил  трения  с помощью этого прибора.

ТРЕНИЕ

Внешнее

Внутреннее

Трение покоя (статическое трение)

Кинематическое трение

Трение скольжения

Трение качения

ВИДЫ ТРЕНИЯ

Трение бывает двух видов: внешнее и внутреннее. Внешним называют такой вид трения, при котором в местах соприкосновения твердых тел возникают силы, затрудняющие взаимное перемещение тел и направленные по касательной к их поверхностям.

Внешнее трение подразделяют на трение покоя (статическое трение) и кинематическое трение. Трение покоя возникает между неподвижными твердыми телами, когда какое-либо из них пытаются сдвинуть с места. Кинематическое трение существует между взаимно соприкасающимися движущимися твердыми телами. Кинематическое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения.

Трение покоя, скольжения

Сухое трение, возникающее при относительном покое тел, называют трением покоя.

Силами сухого трения называют силы, возникающие при соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки. Они всегда направлены по касательной к соприкасающимся поверхностям. Сила трения покоя не может превышать некоторого максимального значения (Fтр)max.

 Наблюдения показывают, что сила трения покоя всегда направлена противоположно действующей на тело внешней силе, стремящейся привести это тело в движение. До определенного момента сила трения покоя увеличивается с возрастанием внешней силы, уравновешивая последнюю. Максимальное значение силы трения покоя пропорционально модулю силы Fд давления, производимого телом на опору.

По третьему закону Ньютона сила Fд давления тела на опору равна по модулю силе N реакции опоры. Поэтому максимальная сила трения покоя пропорциональна силе реакции опоры. Для модулей этих сил справедливо следующее соотношение:

Fп=µN

Трение  покоя  перемещает  грузы, находящиеся  на  движущейся  ленте  транспорта

где µ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения покоя. Значение этого коэффициента зависит от материала и состояния трущихся поверхностей. 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.  Опытным путём установлено, что сила трения зависит от силы давления тел друг на друга (силы реакции опоры), от материалов трущихся поверхностей, от скорости относительного движения и не зависит от площади соприкосновения.

По физике взаимодействия трение принято разделять на:

1. Сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками — очень редко встречающийся на практике случай. Характерная отличительная черта сухого трения — наличие значительной силы трения покоя.
2. Сухое с сухой смазкой (графитовым порошком)
3. Жидкостное, при взаимодействии тел, разделённых слоем жидкости или газа (смазки) различной толщины — как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость;
4. Смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
5. Граничное, когда в области контакта могут содержатся слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и т. д.) — наиболее распространённый случай при трении скольжения.

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.

Опыт показывает, что сила трения скольжения пропорциональна силе нормального давления тела на опору

Fтр = (Fтр)max = μN,

 а следовательно, и силе реакции опоры

 поверхности и от качества их обработки.

Если сделать поверхности более гладкими, значение µ уменьшится. Однако уменьшать шероховатость поверхностей можно лишь до определенного предела, так как при очень гладких (например, полированных) поверхностях значение µс вновь увеличивается. Происходит это потому, что молекулы тел с гладкими поверхностями близко подходят друг к другу и силы молекулярного притяжения между ними вызывают "прилипание" тел, препятствующее их скольжению.

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.

Трение качения

Трение качения возникает при качении (без скольжения) твердых тел круглой формы по поверхности других твердых тел.

Причина появления трения качения заключается в следующем. Под действием силы тяжести круглое твердое тело (например, шар или колесо), находящееся на плоской поверхности, деформируется, вследствие чего оно опирается не на одну точку, а на площадку больших или меньших размеров. Это приводит к тому, что, когда тело начинает катиться, точка А приложения реакции опоры смещается немного вперед от вертикали, проходящей через центр тяжести тела, а линия действия силы реакции опоры R отклоняется немного назад от этой вертикали. При этом нормальная составляющая Rн = N реакции опоры компенсирует силу тяжести F (т.е. Rн =-F), а не скомпенсированная тангенциальная составляющая Rт реакции опоры направлена против движения тела и играет роль силы трения качения Fк. Модуль силы трения качения Fк определяют по закону

Fк = Kк·N/r    

где Kк - безразмерный коэффициент трения качения; N=Rн - модуль нормальной составляющей силы реакции опоры; r - радиус катящегося тела.

Если мы сравним между собой коэффициенты всех видов внешнего трения для каких-либо двух материалов, из которых изготовлены соприкасающиеся тела, то увидим, что Fп>Fc>Fk, т. е. при прочих равных условиях наибольшим является трение покоя, а наименьшим - трение качения. Силы трения качения обычно достаточно малы. При решении простых задач этими силами пренебрегают.

Внутреннее

Внутренним трением (вязкостью) называется вид трения, состоящий в том, что при взаимном перемещении слоев жидкости или газа между ними возникают касательные силы, препятствующие такому перемещению.

Сила вязкого трения значительно меньше силы сухого трения. Она также направлена в сторону, противоположную относительной скорости тела. При вязком трении нет трения покоя.

Сила вязкого трения сильно зависит от скорости тела. При достаточно малых скоростях Fтр ~ υ, при больших скоростях Fтр ~ υ2. При этом коэффициенты пропорциональности в этих соотношениях зависят от формы тела.

Отрицательные и положительные признаки силы трения

Трение в жизни человека, в природе, быту и технике выполняет двойственную роль: в одних случаях — положительную, в других — отрицательную. Очень часто трение является полезным, вследствие чего оно широко используется в быту и в технике. Так, именно трение подошв обуви о пол зданий, о дороги и землю обеспечивают возможность передвижения, хождения человека. Трение об опору — землю, дороги, рельсы, движущих колес различных видов транспорта создает возможность движения автомобилей, трамваев, троллейбусов, поездов, самоходных сельскохозяйственных машин и т. д. С помощью трения обеспечивается передача движения в самых различных, так называемых фрикционных устройствах, например в муфтах сцепления автомобилей, тракторов и тепловозов, имеющих механическую силовую передачу от двигателей к движущим осям и колесам.

Трение настолько необходимо и мы настолько сжились с ним, что мир без трения показался бы нам просто фантастическим. Трение может быть полезным и вредным - эту аксиому человек освоил еще на заре цивилизации. Ведь два самых главных изобретения - колесо и добывание огня - связаны именно со стремлением уменьшить и увеличить эффекты трения. Однако понимание природы трения и законов, которым подчиняется это явление, возникло не так уж давно и, к сожалению или к счастью, еще далеко от совершенства.

На использовании статического трения основаны скрепление деталей при помощи гвоздей, движение человека и автомобиля по земной поверхности. Можно представить, какие возникли бы трудности при ходьбе, если бы не существовало сил статического трения  (например, при гололеде). Вообще говоря, если бы не было сил трения, невозможно  было  бы  удержать  любой  предмет  в  руке.  Во  многих  случаях  роль  сил  трения наоборот отрицательна. В первую очередь это касается деталей разных  машин  и  механизмов,  которые  находятся  в  соприкосновении.  В  технике  для  уменьшения  влияния  сил  сухого  трения  между  поверхностями  вводят  смазку  (вязкую  жидкость, создающую тонкий слой  между твердыми  поверхностями). В  наше время создаются вездеходы на «воздушной подушке», которая удерживает вездеход на некотором расстоянии от земли и резко уменьшает силу трения  при  его  движении.  

3. Практическая часть

Описание опыта: ученики 2-х возрастных групп разбегались и около определенной черты начинали торможение. С помощью рулетки и секундомера измерялись тормозной путь до полной остановки и время торможения. Эксперимент проводился на различных видах покрытия. Результаты измерений и расчетов представлены в таблицах.

Выведем формулу для расчета коэффициента трения (µ) и силы трения (Fтр)

       у

                                            Fтр                    N                                 а        Ự0             

                                                0                                                   х

mg

а – ускорение, м/с2;

Ự0 - скорость тела в момент торможения, м/с;

mg – сила тяжести, Н;

Fтр- сила трения, Н;

N- сила реакции опоры;

Запишем второй закон Ньютона в векторной форме:

Fтр + mg + N = ma

Запишем это уравнение в проекциях на оси:

оx: -Fтр = -ma

  оу:  N – mg = 0             

Fтр = ma;   N = mg;  Fтр = µN

Fтр = µN = µ mg                 (1)

µ mg = ma    =>    µ = a/g   (2)

Выведем формулу ускорения (а)

S = V0 – at2/2      (3)  

0 = V0 – at    =>   Ự0 = at      (4)

Подставим (4) в (3)      

S = at2 - at2/2 = at2/2  =>

      a = 2S/t2                      (5)  

Подставим (5) в (1) и (2)  

Получаем: 

Fтр = 2S m /t2;    µск =  2S/t2 g

Таблица №1

Вычисление коэффициента и силы трения при скольжении на льду 

Таблица №2

Вычисление коэффициента и силы трения при скольжении на школьном линолеуме

Таблица №3

Вычисление коэффициента и силы трения при скольжении на бетоне

Таблица №4  Вычисление коэффициента и силы трения при скольжении на деревянном покрытии

Таблица №5

Вычисление коэффициента и силы трения при скольжении по брусчатке

Таблица №6

Сводная

4. Заключение:

1. В результате полученных данных, можно сделать вывод, что коэффициент трения у учеников 10-ых классов наименьший на всех видах покрытий. Из этого следует, что у них наибольший шанс получить травму. Это объясняется тем, что тормозной путь и время торможения у них больше, а ускорение меньше.

2. Проведя исследования, мы пришли к выводу, что наиболее безопасным покрытием для школы является бетон, так как его коэффициент трения µ =0,070 . Наименее безопасным является лед, коэффициент трения  µ =0,043.

3. Если рассматривать безопасность покрытий в школе, то менее безопасен линолеум, который находиться на втором и третьем  этажах школы. Наиболее безопасным является бетон, который находиться на первом этаже и в буфете.

4. За пределами школы наиболее опасна брусчатка,  так как коэффициент трения брусчатки µ =0,035.

5. Литература

1. ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ УЧЕБНИК ФИЗИКИ» - Наука под ред. Академика Г.С. Ландсберга 1971г.

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

3. Энциклопедии «Кирилл и Мифодий »

4. Интернет - ресурсы