МКОУ «Школа-интернат №26 г. Нижнеудинск»

ИЗУЧЕНИЕ РОЛИ СИЛЫ ТРЕНИЯ

НА ПРИМЕРЕ «КАТУШКИ-ПОЛЗУШКИ»

Автор:

Евсеев Андрей, ученик 8 класса

Руководитель:

Прокушева Н. А., учитель физики

Нижнеудинск - 2021

Содержание

Введение        2

I.        Теоретическая часть проекта        3

1.1.        История открытия силы трения        4

1.2.        Виды трения        4

1.3. Исторический курьёз        5

1.4.        Вред или польза?        5

2.        Практическая часть проекта        6

2.1. Необходимые материалы и инструменты        6

2.2.        Описание сборки модели        6

2.3.        Физическое объяснение        7

2.4.        Результаты исследований        7

Заключение        8

Список использованных источников        8

Приложение 1        9

Введение

 Каждый, кто старается постичь

 тайны природы, достоин уважения.

С трением мы сталкиваемся на каждом шагу. Вернее было бы сказать, что без трения мы и шагу ступить не можем. А как вы думаете, оно полезно или вредно? Многие, не задумываясь, отвечают: «Конечно, вредно!»

И, на первый взгляд, они  правы. Действительно, из-за трения изнашиваются механизмы и машины,  стираются  подошвы ботинок и шины автомобиля, затруднено передвижение различных  грузов, невозможно создание вечного  двигателя и многое другое.

 Но представьте  себе на минуту, что трение исчезло. Тогда движущийся автомобиль не сможет остановиться, а неподвижный – тронуться  с места. Пешеходы упадут на асфальт  и не смогут подняться. Вся мебель в комнате  собьется в один угол (в соответствии с наклоном пола), тарелки и стаканы  соскользнут со стола, гвозди и шурупы выскочат из стен, ни одну вещь нельзя будет взять в руки, вы не сможете  перевернуть страницу журнала и  т. д. и т. п.

Известный швейцарский физик, лауреат Нобелевской премии Шарль Гийом (1861-1938) писал: «Вообразим, что трение может быть устранено совершенно. Тогда никакие тела, будь они величиною с каменную глыбу или малы, как песчинка, никогда не удержатся одно на другом: все будет скользить, и катиться, пока не окажется на одном уровне. Не будь трения, Земля представляла бы шар без неровностей, подобно жидкому».

К этому можно добавить, что неизвестно, как бы пошло развитие цивилизации – ведь наши предки добывали огонь трением.

Перечень подобных «ужасов» можно продолжать до бесконечности, но и сказанного достаточно, чтобы понять, что без трения жизнь на Земле была бы невозможна.

Актуальность проекта

Но, несмотря на ту большую роль, которую трение играет в нашей жизни, до сих пор не создана достаточно полная картина возникновения трения. Это связано даже не с тем, что трение имеет сложную природу, а скорее с тем, что опыты с трением очень чувствительны к обработке поверхности и поэтому трудно воспроизводимы.

Цель проекта: Изготовление самодвижущейся катушки и изучение роли силы трения на её примере.

Задачи:

1.Рассмотреть виды трения.

2.Понять, как уменьшить или увеличить силу трения.

3.Исследовать влияние сил упругости  и трения на проходимый катушкой путь.

Гипотеза: катушку можно заставить передвигаться самостоятельно, используя простейшие материалы.

Продукт: «Катушка-ползушка».

Методы исследования: анализ, наблюдение, эксперимент.

1. Теоретическая часть проекта

Сила трения – это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого и направленная в сторону, противоположную движению. Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется механикой фрикционного взаимодействия, или трибологией (tribology).

Причины возникновения сил трения: неровность поверхности и взаимное притяжение молекул.

Сила трения зависит от силы давления тел друг на друга, от материалов трущихся поверхностей, от скорости относительного движения и не зависит от площади соприкосновения тел.

Коэффициент трения – величина, характеризующая зависимость силы трения от материала и качества обработки трущихся поверхностей. Коэффициент трения измеряется отвлеченным числом, показывающим, какую часть силы нормального давления составляет сила трения.

1. История открытия силы трения

Большой вклад в развитие понятия силы трения внесли несколько учёных. Одним из них был Леонардо да Винчи, он утверждал, что «Сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью, пропорциональна нагрузке (силе притяжения), направлена против движения и не зависит от площади контакта» (1519 год). Позже, Г. Амонтон и Ш. Кулон ввели понятие коэффициента трения для любой пары контактирующих материалов (1781 год). Но в их формулировке не было учтено, насколько гладко обработаны контактирующие поверхности. Развивавшаяся техника XX века требовала все большего внимания к исследованию трения. В 30-ые годы прошлого века исследования в области трения стали настолько интенсивными, что потребовалось выделить их как специальную науку – трибологию, лежащую на стыке механики, физики поверхностных явлений и химии (создание новых смазочных материалов – дело химиков). Только в США в этой области работают в настоящее время более 1000 исследователей, а в мировой науке ежегодно публикуется более 700 статей по этой теме.

2. Виды трения

Движению тела обычно препятствуют силы трения. Если соприкасаются поверхности твёрдых тел, их относительному движению мешают силы сухого трения. Характерной особенностью сухого трения является существование зоны застоя. Тело нельзя сдвинуть с места, пока абсолютная величина внешней силы не превысит определённого значения. До этого момента между поверхностями соприкасающихся тел действует сила трения покоя, которая уравновешивает внешнюю силу и растёт вместе с ней.

Когда тело придёт в движение, то, говоря о трении, различают три физических явления: сопротивление при движении тела в жидкости или газе – его называют жидким трением; сопротивление, возникающее, когда тело скользит по какой-нибудь поверхности – трение скольжения или сухое трение, и сопротивление, возникающее при качении тела – его называют трением качения.

1.3. Исторический курьёз

18 августа 1851 года император Николай I совершил первую поездку из Петербурга в Москву по железной дороге. Императорский поезд был готов к отправлению в 4 часа утра. Начальник строительства дороги, генерал Клейнмихель чтобы подчеркнуть торжественность события, приказал первую версту железнодорожного пути покрасить белой масляной краской. Это было красиво и подчеркивало то обстоятельство, что императорский поезд первым пройдет по нетронутой белизне уходящих вдаль рельсов. Однако Клейнмихель не учел одного обстоятельства… Он забыл о смазочном действии масляной краски, уменьшающем трение, паровоз буксовал на месте. Жандармы, подобрав полы шинелей, бежали всю версту перед поездом и посыпали песком покрашенные рельсы.

4. Вред или польза?

Во многих случаях трение вредно и с ним приходится бороться. Например, во всех машинах из-за трения нагреваются и изнашиваются движущиеся части. Для уменьшения трения соприкасающиеся поверхности делают гладкими, между ними вводят смазку.

Чтобы уменьшить трение вращающихся валов машин и станков, их опирают на подшипники. Деталь подшипника, непосредственно соприкасающуюся с валом, называют вкладышем. Вкладыши делают из твердых материалов – бронзы, чугуна или стали. Внутреннюю поверхность их покрывают особыми материалами, чаще всего баббитом.

Известно, что сила трения качения при одинаковой нагрузке значительно меньше силы трения скольжения. На этом явлении основано применение шариковых и роликовых подшипников. В таких подшипниках вращающийся вал не скользит по неподвижному вкладышу подшипника, а катится по нему на стальных шариках или роликах.

1. Практическая часть проекта

2.1. Необходимые материалы и инструменты

1. Катушка от ниток (длина 45 мм, диаметр 30 мм, диаметр отверстия 7 мм).

2. Канцелярская резинка стандартная.

3. Карандаш (длина 170 мм).

4. Кусочек спички  (длина 18 мм).

5. Тонкий круглый кусочек пластика (диаметр 30 мм).

6. Покрытие линолеум, покрытие ковёр.

2. Описание сборки модели

«Катушка-ползушка» – это простейшая игрушка с резиновым «мотором». Чтобы её собрать возьмём обыкновенную деревянную катушку от ниток старого образца и перочинным ножом зазубрим края обеих ее щечек. Канцелярскую резинку сложим пополам и протолкнём в отверстие катушки. В петлю резинки, которая выглядывает с одного конца, заложим обломок спички. Для того чтобы спичка не проворачивалась, вырежем ножом  канавку размером со спичку (Приложение 1-1).

На пластиковый круг, который приклеили к другому краю катушки, положим карандаш и протолкнём его в петлю с другой стороны. Чтобы катушка начала движение заведём её, прокручивая карандаш по часовой стрелке. Резинка, раскручиваясь, повезет катушку, а конец карандаша будет скользить по полу (Приложение 1-2).

3. Физическое объяснение

Где же здесь встречается трение? Начнем с обломка спички. Когда заводим резинку, она натягивается и все крепче прижимает обломок к щечке катушки. Между обломком и щечкой имеется трение. Если бы этого трения не было, обломок спички вертелся бы совершенно свободно, и «катушку-ползушку» вообще не удалось бы завести. Именно для этого мы и сделали канавку для спички. Значит, здесь трение полезно. Оно помогает работе сделанного нами механизма (Приложение 1-3).

А с другой щечкой катушки дело обстоит совершенно наоборот. Здесь карандаш должен вращаться как можно легче, как можно свободнее. Чем легче он скользит по щечке, тем дальше уедет катушка. Значит, здесь трение вредно. Оно мешает работе механизма. Его нужно уменьшить. Поэтому мы  и подложили между щечкой и карандашом пластиковый круг. Он уменьшает трение и играет роль смазки. Для большего эффекта можно смазать этот круг чем-нибудь скользким или жирным.

Теперь рассмотрим края щечек. Это «колеса» нашей игрушки, их мы зазубрили ножом. Для чего? Да для того, чтобы они лучше сцеплялись с полом, чтобы создавали трение, не «буксовали». Здесь трение полезно.

Наконец, у «катушки-ползушки» есть трение еще в одном месте. Это трение конца карандаша об пол, по которому он ползет вслед за катушкой. Вот это трение – вредное. Оно мешает, задерживает движение катушки.

4. Результаты исследований (таблица 1)

                                                                                                                           Таблица 1

Проведя эксперименты по изучению перемещения катушки в зависимости от покрытия, по которому она перемещается и количества оборотов для завода катушки, я пришёл к выводам:

1.Если усилие в резинке маленькое, то катушка передвигается на небольшое расстояние.

2.Чем больше усилие в резинке, тем дальше уезжает катушка.

3.Если усилие слишком большое, то катушка проскальзывает по поверхности т.е. буксует.

Заключение

Как ни проста наша игрушка, она помогла мне  разобраться: там, где части механизма должны двигаться, трение вредно и его надо уменьшать; а там, где части не должны двигаться, где нужно хорошее сцепление, там трение полезно и его нужно увеличивать.

Еще трение необходимо в тормозах. У «ползушки» их нет, она и так едва ползет. А у всех настоящих колесных машин тормоза есть: без тормозов ездить было бы слишком опасно.

В ходе работы над проектом была подтверждена гипотеза о том, что катушку можно заставить передвигаться самостоятельно, используя простейшие материалы.

Список использованных источников

1. Л. Гальперштейн. Здравствуй, физика! — М.: Детская литература, 1973
2. https://www.diagram.com.ua/tests/fizika/fizika146.shtml
3. https://school-science.ru/2/11/30190

Приложение 1

Рис. 1-1. Материалы для «Катушки-ползушки»

Рис.1-2. Катушка в готовом виде

Рис.1-3. Вредное и полезное трение