Исследовательская работа "Трение - удивительный феномен природы"

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Лицей №8 города Будённовска Будённовского района»

Трение -

 удивительный феномен природы

Выполнили:

ученицы 10 класса

Сафарова Кристина

Луценко Ксения

Руководитель:

Погожева Маргарита Анатольевна,

учитель физики, высшей квалификационной категории

I. Введение

      Никто не будет спорить с тем, что обувь должна быть удобной, комфортной, функциональной, модной и практичной. Но соединить все эти требования в конкретной паре обуви очень непросто. Далеко не последнюю роль в решении этой задачи играет подошва. В последние десятилетия появились, бурно развиваются и совершенствуются подошвы из различных материалов.

     Немецкая фирма Elastogran Gmbh создала новый компактный подошвенный материал-полиуретан. Из этого материала можно изготавливать тонкие прозрачные, просвечивающие и отражающие поверхности и вставки на вспененной подошве. Эти подошвы и вставки можно оттенять различными

цветами, создавая особый внешний вид.  Давно известно применение пробки для производства подошв и платформ. Для этого используется наружный слой ствола и ветвей пробкового дуба, произрастающего в Средиземноморье, на Южном берегу Крыма и на Кавказе. Структура пробки обеспечивает изоляцию от холода, тепла и влаги, она также обладает пружинящей эластичностью. Это лёгкий и красивый материал, но он дефицитен, непрочен и легко крошится.

    Сок гевеи индейцы называли «каучу»- слёзы млечного дерева. От этого слова образовалось современное название материала- каучук. Кроме эластичных мячей индейцы делали из каучука непромокаемые ткани, обувь, сосуды для воды, ярко раскрашенные шарики- детские игрушки.

    Давно используется для изготовления обуви резина, а в последние годы нашёл широкое применение и пластик. На прилавках наших магазинов сейчас встречается в основном обувь, подошвы которых изготовлены именно из этих материалов или с их добавлениями. Зачастую продавцу всё-равно из чего изготовлена подошва у обуви, ему главное выгодно её продать. И не разбирающийся в материалах покупатель часто неправильно выбирает обувь, не учитывая силу трения подошвы о поверхность. Пожалуй, нет в мире такого человека, который бы хоть один раз в жизни не упал, поскользнувшись.

      Цель моей работы - обосновать целесообразность выбора обуви в магазине, учитывая теорию о силе трения.

      Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:

- описать трение как удивительный феномен природы и историю развития теории трения;

- определить силу трения и коэффициенты трения в зависимости от материала подошвы и поверхности;

- исследовать зависимость силы трения от силы давления;

- выявить наиболее практичные материалы для изготовления подошв обуви и использования в различное время года.

     Впервые с силой трения я познакомилась в 7 классе на уроках физики. Поэтому основными источниками литературы по этому вопросу будут учебники физики за 7 класс, и материал учебника 10 класса Касьянова В.А. Также информация бралась мною и из других источников.

1. Трение как удивительный феномен природы

    Трение – удивительный феномен природы! Оно подарило человечеству тепло и огонь, возможность в короткое время остановить скоростной поезд и автомобиль, ускорить химическую реакцию в сто тысяч раз, записать человеческий голос на пластинку, услышать звуки скрипки и многое другое.

    В 1883 году знаменитый русский инженер и учёный Николай Павлович Петров писал: «Силу трения можно замечать всегда и повсюду, и её надо поставить в ряду могущественнейших способов, при посредстве которых природа превращает один вид энергии в другой, мало-помалу заменяя их тепловыми. Эта сила обнаруживает своё влияние в самых разнообразных явлениях природы,  возбуждая живой интерес учёных самых разнообразных направлений. Знание законов трения необходимо и астроному, и физику, и физиологу, и технику». Это высказывание одного из крупнейших инженеров конца 19 века необычайно ясно показывает исключительную важность трибологии – науки о трении и процессах, его сопровождающих.

    Трибология (от греч. tribos – трение) – научная дисциплина, занимающаяся изучением трения и износа узлов машин и механизмов в присутствии смазочных материалов. Трение изучали Леонардо да Винчи и Ломоносов, Кулон и Менделеев, и другие учёные.

    До настоящего времени трение во многих его аспектах остаётся загадкой. При трении (и только при трении) одновременно происходят механические, электрические, тепловые, вибрационные и химические процессы.

    Сегодня с трением связана одна из самых острых проблем современности – износ машин и механизмов. Расходы на восстановление машин в результате износа огромны, причем ежегодно они увеличиваются. Удлинение  срока службы машин и оборудования даже в небольшой степени равноценно вводу значительных новых производственных мощностей.

2. История развития теории трения

    Трение нигде не проявляется само по себе, но препятствует любому относительному перемещению сопряженных тел в любых средах. Непременным следствием процесса трения является изнашивание трущихся тел, т.е. постепенное изменение их размеров или формы, а также их нагрев.

    Процесс трения может быть полезным и вредным – эту аксиому человек освоил ещё на заре цивилизации, ведь два  главных изобретения – колесо и добывание огня – связаны именно со стремлением уменьшить или увеличить эффекты трения.

    Человек начал сталкиваться с трением ещё на заре своего существования, задолго до того, как он, пытливо вглядываясь в окружающий мир, стал использовать известные ему из повседневного опыта факты для того, чтобы облегчить свою жизнь. В борьбе за существование человек постепенно приобретает новые знания и умения – в том числе в области трения, объём которых медленно, но непрерывно увеличивается. Уже в эпоху палеолита (а это 3500 лет до н.э.) человек научился добывать огонь трением, что впервые доставило ему возможность хоть в чем-то не зависеть от стихийных сил природы и тем окончательно отделило человека от животного мира.

    Строительство жилищ, снабженных дверью, потребовало создания дверных петель. Их заменяли выемками в деревянных или каменных порогах, в гнезда которых вставлялись прикреплённые к двери штыри. Деревянные пороги с такими гнёздами были найдены в жилищах эпохи неолита в Центральной Европе. А каменные пороги с гнёздами применялись в ассирийских деревнях 6-7 тысяч лет назад. 7 тысяч лет назад  в Скандинавии появились лыжи, позволившие передвигаться по снегу с малыми потерями на трение.

    В эпоху ранних цивилизаций уровень трибологических знаний растёт, и это отражается на прогрессе техники. Более осознанное понимание преимущества трения качения перед трением скольжения при перемещении грузов приводит к изобретению колеса и созданию колесных экипажей, о чем свидетельствуют многочисленные археологические находки. В VI-III тысячелетиях до н.э. в Двуречье появились первые колесные повозки, а с начала III  тысячелетия до н. э. появились даже специальные обозначения для грузовых и боевых повозок.

3.Величина силы сухого трения

    Сопротивление движению возникает при скольжении одного тела по поверхности другого. Если соприкасаются твёрдые поверхности или твёрдые прослойки между телами, трение называют сухим.

    Часто трение не мешает, а способствует движению, так как сила трения, действующая вдоль поверхности соприкосновения твёрдых тел, направлена против скольжения тела.

    При прокручивании колёс автомобиля сила трения шин о поверхность земли, препятствуя их проскальзыванию, действует со стороны дороги и направлена вперед, обеспечивая поступательное движение автомобиля. То же происходит при движении пешехода – сила трения подошвы обуви о поверхность земли или другого материала способствует перемещению человека. Чем сильнее трение, тем больше соответствующая сила, поэтому его стараются не уменьшать, а увеличивать – покрытие дороги делают шероховатым, а на поверхность шины или подошвы обуви наносят рельефные рисунки (протекторы). 

    Но что определяет величину силы сухого трения? Повседневный опыт свидетельствует – чем сильнее прижать поверхности тел друг к другу, тем труднее вызвать их взаимное скольжение и поддерживать его. Прижимающая сила, действующая со стороны соседнего тела на трущуюся поверхность, перпендикулярна ей и называется силой нормального давления.

    В 1781 году Шарль Кулон, изучая трение деталей и верёвок, которые в то время были существенными частями механизмов, экспериментально установил, что сила трения F тр. прямо пропорциональна прижимающей силе N:

F тр = µN;  N = F тяж

µ = F тр/ F тяж

    Коэффициент пропорциональности µ – коэффициент трения – определяется шероховатостью соприкасающихся поверхностей; для более гладких поверхностей он меньше. Например, после удара хоккейной клюшкой скользящая шайба быстрее останавливается на деревянном полу, чем на льду.

   В физике известны средние коэффициенты трения покоя и скольжения для некоторых пар материалов. Табл.1

Табл.1 Коэффициент трения покоя и скольжения для некоторых пар материалов.

4. Определение коэффициентов трения и зависимости силы трения от материалов поверхностей

      Цель проводимых опытов состояла в исследовании зависимости силы трения подошвы обуви о различную поверхность и определение коэффициентов трения. Опыты проводились в школьном кабинете физики, в домашних условиях и на улице. В качестве опытных моделей обуви использовали мужскую и женскую обувь, подошвы которых изготовлены из пластика, полиуретана, каучука и резины. Данные образцы материалов выбраны не случайно, так как это самые современные и наиболее распространённые для продажи образцы, имеющиеся в продаже практически в любом обувном магазине.

     С помощью динамометра определила силу тяжести, действующую на обувь. Затем, равномерно перемещая обувь вдоль различных поверхностей, снимая показания динамометра, определила 3 раза значение силы трения для того, чтобы вычислить среднее значение силы трения. С помощью полученных результатов подсчитала коэффициенты трения различной обуви о разную поверхность.

Табл.2 Трение о ковёр.

Примеры вычисления среднего значения силы трения о ковёр по формуле   Fтр.(ср.зн.)=(Fтр1.+Fтр2.+Fтр3.)/3

1.Пластик. Fтр.(ср.зн.)=(2,3Н+2,2Н+2,4Н)/3=6,9Н/3=2,3Н

2.Полиурентан. Fтр.(ср.зн.)=(3,6Н+3,5Н+3,7Н)/3=10,8Н/3=3,6Н

3.Каучук. Fтр.(ср.зн.)=(3,6Н+3,5Н+3.4Н)/3=10,5Н/3=3,5Н

4.Резина. Fтр.(ср.зн.)=(4Н+3,8Н+3,8Н)/3=11,6Н/3=3,87Н

Примеры вычисления коэффициента трения обуви о ковёр по формуле

 µ=Fтр./Fтяж.

1.Пластик. µ=2,3Н/3,5Н=0,657

2.Полиуретан. µ=3,6Н/3,8Н=0,947

3.Каучук. µ=3,5Н/4Н=0,875

4.Резина. µ=3,87Н/4,4Н=0,879

Табл.3 Трение о паркет.

Вычисления среднего значения силы трения о паркет:

1. Пластик. Fтр.(ср.зн.)=(1,2Н+1,1Н+1,2Н)/3=3,5Н/3=1,17Н
2. Полиуретан. Fтр.(ср.зн.)=(2,6Н+2,7Н+2,5Н)/3=2,8Н/3=2,6Н
3. Каучук. Fтр.(ср.зн.)=(2Н+2,1Н+2,2Н)/3=6,3Н/3=2,1Н
4. Резина. . Fтр.(ср.зн.)=(2,6Н+2,5Н+2,6Н)/3=7,7Н/3=2,57Н

Вычисление коэффициента трения обуви о паркет:

1.Пластик. µ=1,17Н/3,5Н=0,33

2.Полиуретан. µ=2,6Н/3,8Н=0,684

3.Каучук. µ=2,1Н/4Н=0,525

4.Резина. µ=2,57Н/4,4Н=0,584

Таким же способом были определены средние значения сил трения и коэффициенты трения обуви об асфальт и о лёд. Результаты представлены в таблицах 4 и 5.

Табл.4 Трение об асфальт.

Табл.5 Трение о лёд.

Диаграмма «Коэффициенты трения»

        В ходе данного эксперимента и выполненных расчетов выяснилось, что у подошвы сделанной из полиуретана наибольший коэффициент трения, а на втором месте по показателям коэффициента трения резиновая подошва. Затем следует каучук и замыкает четвёрку испытуемых материалов подошва из пластика. Сомнения в коэффициенте трения вызывает его показатель у резины о лёд, но по всей видимости среди наших испытуемых материалов резина была не чистой, а с примесями. Из этого следует, что при покупке обуви нужно учитывать особенности материала подошвы и погодных условий, в которых вы будете носить данную обувь. В зимнее время лучше покупать обувь с полиуретановой поверхностью, так как она имеет наибольший коэффициент трения по различным поверхностям (видно из диаграммы), и это поможет избежать падений и травм в зимнее время, когда на улице гололёд. Также полиуретан обладает хорошей устойчивостью к различным температурам и прочностью.

5. Определение зависимости силы трения от силы давления

Для проведения опыта использовались:

- мужской ботинок с пластиковой подошвой;

- паркетная поверхность;

- динамометр;

- 5 грузов массой по 100 г. каждый.

Порядок проведения опыта:

1. Измерила силу тяжести, действующую на ботинок. Для этого подвесила его к динамометру. Fтяж.= 3,5Н.
2. Измерила силу трения ботинка о паркетную поверхность.       Fтр.= 1,2Н.
3. Поместила на ботинок груз массой 100г.; сила давления возросла на 1Н.
4. Измерила силу трения ботинка с грузом массой 100г. о паркетную поверхность.
5. Повторила опыт, увеличивая груз по 100г., пока масса груза не достигла 500г.
6. Полученные данные занесла в таблицу 6.
7. Построила график зависимости силы трения от силы тяжести.

Табл.6.Показания опыта.

   В таблице коэффициент трения не всегда одинаков так как динамометр с которым пришлось работать, имеет погрешность, равную половине цены деления шкалы динамометра, ∆F=0,05Н.

График зависимости  силы трения от силы тяжести.

Fтр,Н

Fтяж,Н

    Как видно из графика, сила трения линейно зависит от силы давления, так как линия графика получилась практически прямой. При движении одного тела по поверхности другого тела сила трения прямо пропорциональна силе тяжести.

  F тр.= µF тяж.

     Это значит, что если сила тяжести возрастёт, например, в 2 раза, то и сила трения увеличится в 2 раза.  

IV. Заключение

    В ходе данного исследования удалось описать удивительный феномен природы – трение и историю развития теории трения. На основании приведённых экспериментов и определения силы трения и коэффициентов трения в зависимости от материала подошвы и поверхностей установлено, что наибольший коэффициент трения имеет обувь с полиуретановой подошвой. Этот факт доказывает, что в зимнее время лучше носить обувь с полиуретановой подошвой, что поможет избежать падения и травмы человеку, когда на улице гололёд. Не желательно в зимнее время носить обувь с пластиковой подошвой.

    Кроме того, на опыте я исследовала зависимость силы трения от силы давления и установила, что их связь прямо пропорциональная.

V. Список используемых источников литературы

1. Касьянов В.А. Физика.10 класс. - М.: Дрофа 2002, - 102с.
2. Мощанский В.Н., Савелова Е.В. История физики. – М.: Просвещение 1991, - 104с.
3. Мякишев Г.Я Учебное пособие для школ и классов с углублённым изучением физики. – М.: Просвещение 1995, - 221с.
4. Пёрышкин А.В. Физика. 7 класс. – М.: Дрофа 2005, - 70с.