МБОУ гимназия № 1

Направление исследования "Физика"

Исследовательский проект

"Изучение силы трения"

Автор работы:

Заикина Анастасия, ученица 7 А класса

МБОУ гимназия № 1

Руководитель:

Семынина Наталья Михайловна,

учитель физики, информатики и ИКТ

г. Красный Сулин

2018 г.

Оглавление

1.        Введение        3

2.        Основная часть        4

2.1.        История знакомства человека с силой трения        4

2.2.        Первые исследования силы трения        4

2.3.        Какая сила называется силой трения        5

3.        Трение в природе и технике        6

3.1.        Роль трения в жизни растений и животных        6

3.2.        Трение в технике        6

3.3.        Трение в нашей жизни        6

4.        Экспериментальная часть        7

5.        Заключение        9

6.        Список  информационных источников        10

1. Введение

В этом году мы начали изучать новый предмет – физику. Физика – является наукой о неживой природе в самом широком понимании этого слова. Физика дает возможность человеку как можно глубже познать окружающий его мир и понять причины наблюдаемых в обычной жизни явления. Без знания физики был бы невозможен прогресс человечества в целом, а мы были бы лишены таких привычных нам технических устройств: компьютеров, бытовых приборов, разных спортивных снарядов и приспособлений, облегчающих нам жизнь

Нас давно волновали вопросы, связанные с практическим применением законов физики в жизни человека, в частности, мы заинтересовались вопросами, связанными с проявлением силы трения в окружающем нас мире. Изучая на уроках физики силу трения, мы заинтересовались вопросом: сила трения – это друг или враг? Когда сила трения нам помогает, а когда мешает и с ней надо бороться?

Так возникла идея данного исследовательского проекта «Изучение силы трения»

В качестве цели исследования мы выбрали изучение причин возникновения силы трения,  и факторов, влияющих на величину этой силы.  

Для достижения цели были сформулированы следующие задачи:

1. Осуществить сбор и систематизацию теоретического материала по данной теме.
2. Выяснить факторы, от которых зависит сила трения.
3. Провести эксперименты по изучению силы трения.
4. Обобщить и проанализировать полученные результаты.

Объектом исследования стала сила трения.

Предмет исследования – факторы, влияющие на величину силы трения

Область исследования: физика.

Методы исследования: теоретический анализ, физический эксперимент, обобщение

Структура работы обусловлена целью, задачами и логикой исследования.Исследовательская работасостоит из введения, описательной части, экспериментальной части, заключения с описанием полученных выводов, а также списка использованной литературы и приложений.

2. Основная часть

1.  История знакомства человека с силой трения

Вспомним, что многие современные и дошедшие до нас первобытных времен способы добычи огня связаны с применением трения. Когда-то чтобы добыть огонь, люди брали острую деревянную палочку, упирали её в деревянный брусок и быстро вращали. При достаточном упорстве через некоторое время в месте трения появлялся дым, начиналось тление и возгорание образовавшихся опилок и подложенного, например, сухого мха.

Известно несколько достаточно трудоемких способов добывания огня трением дерева о дерево, применявшихся у разных народов мира.

Индейцы Северной Америки, чтобы получить огонь, обычно трут две палочки вместе.

На Огненной Земле и у эскимосов в традициях высекание огня. Эскимосы ударяют обычным куском кварца о кусок пирита (железного колчедана), который очень распространен в местах, где они живут.

В Китае и в Индии куском разбитой глиняной посуды ударяют о бамбуковую палочку. Внешняя оболочка бамбука очень твердая и имеет все свойства фитиля.

На Аляске индейцы некоторых племен натирают серой два камня и ударяют один о другой. Когда сера загорается, они бросают горящий камень в сухую траву или другой сухой материал.

Другой способ добывание огня - высекание искр, и тоже сопровождается трением! Можно получать огонь, нанося по твердому камню удары каким-нибудь металлическим предметом, например, ножом. Такое устройство по извлечению огня существовало с древних времен и позднее стало называться «огниво». Огниво - это приспособление для получения огня, широко применявшееся до появления спичек.

Таким образом, еще в древности люди на практике познакомились с проявлением этой силы.

2. Первые исследования силы трения

Первые исследования трения, о которых мы знаем, были проведены Леонардо да Винчи.

1500 год. Великий итальянский художник, скульптор и ученый проводил странные опыты, чем удивлял своих учеников. Он таскал по полу, то плотно свитую веревку, то ту же веревку во всю длину. Его интересовал ответ на вопрос: зависит ли сила трения скольжения от величины площади соприкасающихся в движении тел? Механики того времени были глубоко убеждены, что чем больше площадь касания, тем больше сила трения. Онирассуждали примерно так: чем больше точек соприкосновения у тел, тембольше сила. Совершенно очевидно, чтона большей поверхности будет больше такихточек касания, поэтому сила трения должна зависеть от площади трущихся тел. Леонардо да Винчи усомнился и стал проводить опыты.

И получил потрясающий вывод: сила трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся тел. Попутно Леонардо да Винчи исследовал зависимость силы трения от материала, из которого изготовлены тела, от величины нагрузки на эти тела, от скорости скольжения степени гладкости или шероховатости их поверхности.

Он получил следующие результаты:

1. От площади независит.

2. От материала не зависит.

3. От величины нагрузки зависит (пропорционально ей).

4. От скорости скольжения не зависит.

5. Зависит от шероховатости поверхности.

1699 год. Французский ученый Амонтон, который подтвердил столь неожиданный вывод Леонардо да Винчи о независимости силы трения от площади соприкасающихся тел. Но в то же время он считал, что сила трения скольжения зависит от скорости, а с тем, что сила трения зависит от шероховатостей поверхностей, не соглашался.

1748 год. Действительный член Российской Академии наук Леонард Эйлер, опубликовал свои ответы на пять вопросов о трении. На первые три - такие же, как и предыдущих, но в четвертом он согласился с Амонтоном, а в пятом - с Леонардо да Винчи.

1779  год. В связи с внедрением машин и механизмов в производство назрела  острая необходимость в более глубоком изучении законов трения. Выдающийся французский физик Кулон занялся решением задачи о трении и посвятил этому два года.  В результате Кулон согласился с выводами Леонардо да Винчи.

Общая сила трения в какой-то малой степени все же зависит от размеров поверхности трущихся тел, прямо пропорциональна силе нормального давления, зависит от материала соприкасающихся тел, зависит от скорости скольжения и от степени гладкости трущихся поверхностей.

В дальнейшем ученых стал интересовать вопрос о влиянии смазки, и были выделены виды трения: жидкостное, чистое, сухое и граничное.

3. Какая сила называется силой трения

Без силы трения невозможна работа почти всех машин и механизмов на Земле. Также и невозможно передвижение по ней всех живых существ. Попробуйте пройти по идеально гладкому льду в обуви на гладкой пластиковой подошве, или же забраться в этой обуви по ледяной горке? При отсутствии трения нет сцепления между двумя соприкасающимися поверхностями и движение каждой из них по отношению друг к другу и к Вам становится неуправляемым. Даже элементарное завязывание шнурков на обуви не получится. А как муравей будет взбираться на дерево?

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.

В месте соприкосновения двух тел всегда возникает взаимодействие, которое препятствует движению одного тела по поверхности другого. Его и называют трением. А величину этого взаимодействия — силой трения.

Итак, сила трения – это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого и направленная в сторону, противоположную движению или возможному движению.

Сила трения возникает из-за того, что неровности одного тела цепляются за неровности другого тела и мешают их взаимному движению. Если  увеличить силу, прижимающую тела друг к другу, то неровности сильнее цепляются и сила трения увеличивается. Сила трения не зависит от площади соприкасающихся тел, а зависит от материала тел и их веса: чем больше сила, прижимающая тело к поверхности, тем больше сила трения.

Второй причиной возникновения трения является притяжение молекул. Если тщательно отполировать поверхности соприкасающихся тел, то число точек касания при том же весе тела увеличивается, а, следовательно, увеличивается и сила трения.

Различают силу трения покоя, силу трения скольжения и силу трения качения.

3. Трение в природе и технике

1.  Роль трения в жизни растений и животных

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. Знание законов трения необходимо и астроному, и физику, и физиологу, и технику.

Без трения покоя ни люди, ни животные не могли бы ходить по земле, так как при ходьбе мы отталкиваемся ногами от земли. Не будь трения, предметы выскальзывали бы из рук.

У многих растений и животных  имеются различные органы, служащие для хватания (усики растений,  хобот слона, цепкие хвосты лазающих животных). Все они имеют шероховатую поверхность для увеличения силы трения. 

Среди живых организмов распространены приспособления (шерсть, щетина, чешуйки, шипы, расположенные наклонно к поверхности), благодаря которым трение получается малым при движении в одном направлении и большим – при движении в противоположном направлении. На этом принципе основано движение дождевого червя. Щетинки, направленные назад, свободно пропускают тело червя вперед, но тормозят обратное движение. При удлинении тела головная часть продвигается вперед, а хвостовая остается на месте, при сокращении головная часть задерживается, а хвостовая подтягивается к ней.

2.  Трение в технике

Направления использования сил трения в технике: передача движений с помощью трения, обработка материалов с помощью трения и использовании трения в механических конструкциях и орудиях труда. Например, в древнем мире чтобы добыть огонь, люди брали два камня, один с острым концом, а другой округлой формы и стукали их друг о друга.

Трение – это главная причина изнашивания технических устройств, проблема, с которой человек столкнулся также на самой заре цивилизации. И в наше время борьба с изнашиванием технических устройств – важнейшая инженерная проблема, успешное решение которой позволило бы сэкономить десятки миллионов тонн стали, цветных металлов, резко сократить выпуск многих машин, запасных частей к ним. Чтобы уменьшить трение вращающихся валов машин и станков, их опирают на подшипники. Для уменьшения трения соприкасающихся поверхностей делают гладким, между ними вводят смазку.

3.  Трение в нашей жизни

Итак, во-первых, именно благодаря трению мы можем ходить по земле. Человек, обитающий на суше и не умеющий летать, передвигается только благодаря наличию трения покоя в защищающей ступни обуви, конструкция которой при всем разнообразии становится постепенно все более совершенной. Увы, многие модели современной обуви, радующие глаз отделкой или модным фасоном, свидетельствуют, скорее, об обратном. Надев такую обувь, нередко чувствуешь себя беспомощным не только на обледеневшем тротуаре, но и на хорошо натертом паркете какого-нибудь фойе концертного зала. Похоже, обувщики и не подозревают, что полимерные материалы, из которых сейчас все чаще изготовляют обувь, имеют значительно более низкий коэффициент трения, чем натуральная кожа, не говоря уже о резине. Отсюда и скользкие башмаки – источники нешуточных неприятностей. Например, у зимних шин машин есть шипы или специальные липучки, это делается специально для того чтобы, когда машина едет по льду шипы встревали в лед и сила трения была больше, так неровности будут цепляться друг за друга.

Зимняя подошва должна быть сделана из полиуретана, резины. Лучше, чтобы подошва была с рифлёным рисунком, тогда она не будет скользить.

4. Экспериментальная часть

На уроке мы узнали о видах трения. Различают силу трения покоя, силу трения скольжения и силу трения качения.

Трение покоя.

Проведем эксперимент для обнаружения силы трения покоя

Цель: обнаружить на опыте действие силы трения покоя

Нам понадобится: брусок, линейка или доска, стопка книг

Ход опыта: поместим брусок на наклонную доску. При не слишком большом угле наклона доски брусок может остаться на месте. Что удерживает этот брусок от соскальзывания вниз? Если бы брусок скользил вниз вдоль наклонной плоскости, сила трения была бы направлена против его движения. Если брусок не двигается, значит, его удерживает именно сила трения покоя, направленная против возможного движения бруска.

Проявление в жизни: сила трения покоя удерживает гвоздь, вбитый в доску, не дает развязаться банту на ленте, удерживает все предметы на своих местах.

Трение скольжения

Цель: обнаружить на опыте действие силы трения скольжения

Нам понадобится: брусок, динамометр, доска

Ход опыта:

Измерим вес бруска. Он равен 1,1 Н

Прикрепим динамометр к бруску и заставим его равномерно двигаться по доске. Заметим величину силы, которую показывает динамометр. Сила трения равна 0,2 Н

Увеличим силу, прижимающую брусок к поверхности доски. Для этого поместим грузы массой 50 г сверху бруска и повторим измерения:

Вывод: чем больше вес, т.е. сила, прижимающая брусок к доске, тем больше сила трения

Выясним, как зависит сила трения от площади соприкосновения тел. Для этого измерим силу трения при скольжении бруска на разных гранях:

Вывод: сила трения не зависит от площади соприкосновения тел

Выясним, зависит ли сила трения от рода соприкасающихся поверхностей?

Для  этого повторим измерения при движении бруска по различным поверхностям.

Опыты показали, что сила трения зависит от материала тел. Эту зависимость выражает коэффициент трения. Его находят как отношение силы трения к весу тела. В задачниках величины разных коэффициентов трения даны в виде таблицы. Например:

  Чтобы найти коэффициент трения нужно силу трения разделить на вес бруска

Выясним: зависит ли величина силы трения от способа движения тела (скольжение или качение)

Нам понадобится: книга, карандаш

Ход опыта

Поместили карандаш, так, чтобы карандаш скользил, заметили угол наклона книги. Поместили на эту же наклонную плоскость карандаш так, чтобы карандаш катился. При том же угле наклона карандаш пришел в движение, так как сила трения качения не смогла удержать карандаш от качения

Вывод: сила трения  скольжения больше силы трения качения.  Именно для того, чтобы уменьшить силу трения и легче передвигать грузы, люди используют колеса.

Трение качения

Если тело не скользит по поверхности другого тела, а, подобно колесу или цилиндру, катится, то возникающее в месте их контакта трение называют трением качения. Катящееся колесо несколько вдавливается в полотно дороги, и потому перед ним всё время оказывается небольшой бугорок, который необходимо преодолевать. Именно тем, что катящемуся колесу постоянно приходится наезжать на появляющийся впереди бугорок, и обусловлено трение качения.

5. Заключение

Итак, исследование,  проведенное в работе,  позволяет сделать следующие выводы:

• Сила трения возникает при движении одного тела по поверхности другого и направлена в сторону, противоположную возможному движения или движению.
• Силу трения можно измерить с помощью динамометра, если ….
• Существует несколько видов трения: покоя. Скольжения и качения. Самая маленькая сила трения – трение качения.
• Сила трения возникает из-за неровностей поверхностей или из-за притяжения молекул
• Силу трения можно увеличить, если увеличить прижимающую силу (вес), увеличить количество неровностей на поверхности или совсем убрать неровности, при этом сила трения возрастет из-за притяжения молекул тел.
• Сила трения не зависит от площади поверхности

Силы трения сопровождают нас повсюду, принося ощутимый вред и… огромную пользу. Вообразим, что исчезло трение. Изумленный наблюдатель увидел бы: как рушатся горы, сами по себе выкорчевываются из земли деревья, ураганные ветры и морские волны бесконечно властвуют над землей. Все тела сползают куда-то вниз, транспорт разваливается на отдельные детали, поскольку болты без трения не выполняют свою роль, невидимый безобразник развязал бы все шнурки и узлы, мебель, не удерживаемая силами трения, сползла в самый низкий угол комнаты.

И в то же время иногда трение наносит значительный вред. Люди научились уменьшать и увеличивать трение, извлекая из него огромную пользу. Например, для перетаскивания тяжелых грузов придумали колеса, заменив трение скольжение — качением, которое, значительно меньше трения скольжения.

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, подобный росинке. 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.

Итак, нельзя однозначно сказать, чем является сила трения – другом или врагом. Как и у любого явления у силы трения есть положительные проявления и отрицательные. Поэтому нужно знать о проявлениях силы трения и учитывать это в своей жизни.

Например, сейчас зима, скользко, так как сила трения нашей обуви об лед очень мала и для того, чтобы ее увеличить нужно выбирать зимнюю обувь с ярко выраженным протектором, приклеить на подошву кусочки наждачной бумаги, это увеличит количество неровностей и приведет к увеличению силы трения и идти будет проще.

Но в некоторых случаях силу трения нужно уменьшать, а не увеличивать. Например, если ваша дверь скрипит, ее петли нужно смазать;  если дверь плохо закрывается, то трущиеся поверхности можно протереть мылом или восковой свечой, неровности заполнятся и сила трения уменьшится. Новую молнию на одежде тоже рекомендуют протереть мылом и воском, чтобы она лучше закрывалась.  

6. Список  информационных источников

1. А.В. Перышкин Физика. 7кл.; Учебник для общеобразовательных учреждений.- М.: Дрофа, 2006.
2. Наука. Энциклопедия. Москва «РОСМЭН», 1997.
3. В.А. Волков, С.Е. Полянский Поурочные разработки по физике к учебникам А.В. Перышкина и С.В. Громова. Москва «ВАКО» 2005.
4. www.fizika.ru