ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 2

Ακόμα και στα σχολικά χρόνια, στην έβδομη ή στην όγδοη δημοτικού, κάθε άτομο εξοικειώνεται με μια νέα έννοια της δυναμικής φυσικής - την τριβή. Ωστόσο, πολλοί, έχοντας ωριμάσει, ξεχνούν πώς λειτουργεί αυτή η δύναμη. Ας προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε αυτό το θέμα.

Ορισμός της έννοιας

Η τριβή είναι ένα φαινόμενο που έχει την εξής σημασία: όταν δύο σώματα έρχονται σε επαφή μεταξύ τους, σχηματίζεται μια ειδική αλληλεπίδραση στο σημείο επαφής τους, εμποδίζοντας τα σώματα να συνεχίσουν να κινούνται μεταξύ τους. Είναι σαφές ότι είναι δυνατό να υπολογιστεί η αξία της αλληλεπίδρασης αυτών των σωμάτων. Αυτό ακριβώς είναι που χαρακτηρίζει ποσοτικά αυτή την αλληλεπίδραση. Εάν υπάρχει τριβή μεταξύ στερεών σωμάτων (για παράδειγμα, η αλληλεπίδραση ενός βιβλίου με ένα ράφι ή ενός μήλου με ένα τραπέζι), τότε αυτή η αλληλεπίδραση ονομάζεται ξηρή τριβή.

Πρέπει να γίνει κατανοητό ότι η τριβή είναι μια δύναμη ηλεκτρομαγνητικής φύσης. Αυτό σημαίνει ότι η αιτία αυτής της δύναμης είναι η αλληλεπίδραση μεταξύ των σωματιδίων που αποτελούν ένα συγκεκριμένο σώμα.

Πώς είναι η τριβή;

Χάρη στην ποικιλία των αντικειμένων που υπάρχουν στον κόσμο μας, μπορεί να προσδιοριστεί ότι καθένα από αυτά έχει τη δική του δομή και έχει μεμονωμένες ιδιότητες. Αυτό σημαίνει ότι η αλληλεπίδραση μεταξύ διάφορα είδηθα είναι διαφορετικό. Για τη σωστή κατανόηση της ουσίας και την ικανή λύση πολλών προβλημάτων στη φυσική, συνηθίζεται να διαιρούνται συμβατικά τρία είδη τριβής. Ας δούμε λοιπόν το καθένα ξεχωριστά:

• Πρώτη τριβήείναι η στατική τριβή που συμβαίνει απουσία σχετικής κίνησης δύο σωμάτων. Μπορούμε να δούμε παραδείγματα παντού, επειδή η δύναμη που δημιουργείται από αυτή την τριβή διατηρεί τα αντικείμενα σε ισορροπία. Για παράδειγμα, εμπορεύματα σε έναν κινούμενο μεταφορικό ιμάντα, ένα καρφί που έχει καρφωθεί σε έναν τοίχο ή ένα άτομο που στέκεται στο πάτωμα.
• Τριβή ολίσθησης- αυτή είναι υπό όρους η δεύτερη τριβή. Η έννοια της ολίσθησης ορίζεται ως εξής: όταν ασκείται δύναμη σε ένα σώμα σε ισορροπία μεγαλύτερη από τη στατική δύναμη τριβής, η δύναμη τριβής ολίσθησης αρχίζει να ενεργεί και το σώμα μετακινείται από τη θέση του.
• Και τέλος, τριβή κύλισης, εξηγώντας την αλληλεπίδραση δύο σωμάτων, το ένα από τα οποία κυλά πάνω στην επιφάνεια του άλλου. Η διαφορά και η ολίσθηση εξηγείται από το γεγονός ότι με οποιαδήποτε κίνηση οι περιοχές του σώματος μετατοπίζονται κατά μήκος της επιφάνειας επαφής και αντί για σπασμένους διαμοριακούς δεσμούς, σχηματίζονται νέοι. Και στην περίπτωση που ο τροχός κυλά χωρίς να γλιστράει, οι μοριακοί δεσμοί κατά την ανύψωση τμημάτων του τροχού σπάνε πολύ πιο γρήγορα από ό,τι κατά την ολίσθηση. Αποδεικνύεται ότι η δύναμη τριβής κύλισης είναι μικρότερη από τη δύναμη ολίσθησης.

Πού και πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί η τριβή;

Η τριβή είναι ένα αναντικατάστατο φαινόμενο, χωρίς το οποίο δεν θα μπορούσαμε να κάνουμε βασικά πράγματα: να περπατάμε, να καθόμαστε ή απλά να κρατάμε αντικείμενα στα χέρια μας. Επομένως, μην υποτιμάτε τη σημασία της τριβής. Όπως είπε ο Γάλλος φυσικός Γκιγιόμ: «Αν δεν υπήρχε τριβή, η Γη μας θα ήταν χωρίς ούτε μια τραχύτητα, θα ήταν σαν μια σταγόνα υγρού».

Ισως, καλύτερο παράδειγμα, που χαρακτηρίζει με μεγαλύτερη ακρίβεια την τριβή, είναι το έργο του τροχού. Ακόμη και στην αρχαιότητα, παρατηρήθηκε ότι οι δυνάμεις τριβής κύλισης είναι πολύ μικρότερες από τις δυνάμεις τριβής ολίσθησης. Ήταν τα αναμφισβήτητα οφέλη της τριβής κύλισης που έκαναν τους ανθρώπους να χρησιμοποιούν κορμούς ή κυλίνδρους για να μετακινούν βαριά και ογκώδη φορτία. Με την πάροδο του χρόνου, οι άνθρωποι έχουν βελτιώσει τις γνώσεις τους σχετικά με καταπληκτικές ιδιότητεςτριβή κύλισης, παρατήρησε την κίνηση των αντικειμένων υπό την επίδραση των δυνάμεων τριβής και τελικά εφηύρε τον τροχό! ΣΕ σύγχρονος κόσμοςΕίναι αδύνατο να φανταστεί κανείς τη ζωή χωρίς αυτά τα αναντικατάστατα μέρη, γιατί οι τροχοί είναι οι δεύτεροι «κινητήρες» κάθε μεταφοράς!

Πώς να υπολογίσετε τη δύναμη τριβής;

Όπως κάθε άλλο, έχει ακέραιες τιμές. Για να προσδιοριστεί με ακρίβεια πόση δύναμη απαιτείται για μετακίνηση ή άλλους τύπους εργασίας, είναι απαραίτητο να υπολογιστεί η δύναμη στατικής τριβής. Αυτό συνήθως κάνουν οι μηχανικοί όταν, για παράδειγμα, χτίζουν εργοστάσια ή εφευρίσκουν νέες συσκευές. Ωστόσο, ακόμη και οι απλοί μαθητές βρίσκονται αντιμέτωποι συγκεκριμένα καθήκοντα, όπου είναι απαραίτητος ο υπολογισμός της δύναμης τριβής. Έτσι, για να υπολογίσετε την τιμή του, πρέπει απλώς να χρησιμοποιήσετε έναν απλό τύπο: F τριβή = K * N, όπου k είναι ο συντελεστής τριβής. Η τιμή όλων των συντελεστών εξαρτάται πάντα από την επιφάνεια του αντικειμένου στην οποία κινείται το σώμα ή με την οποία αλληλεπιδρά. Το "N" στη φόρμουλα μας σημαίνει δύναμη στο σώμα. Εξαρτάται κυρίως από τη μάζα του σώματος που έρχεται σε επαφή με την επιφάνεια στήριξης.

Υπολογίστε την τιμή της δύναμης στο πρόβλημα

Ας πούμε ότι ένα σώμα με μάζα m = 3 kg βρίσκεται σε μια οριζόντια σανίδα. μεταξύ ξύλινη σανίδακαι το σώμα είναι 0,3. Πώς να βρείτε την τιμή της δύναμης τριβής; Είναι πολύ απλό, το μόνο που χρειάζεται να κάνετε είναι να αντικαταστήσετε τις τιμές μας στη φόρμουλα. Απλά πρέπει να λάβετε υπόψη ότι το N σε αυτή την περίπτωση είναι ίσο με το βάρος του σώματος (σύμφωνα με τον 3ο νόμο του Νεύτωνα). Άρα, η απαιτούμενη δύναμη είναι ίση με (m * g) * k = (3 kg * 10 m/s 2) * 0,3 = 9 N.

Όλοι γνωρίζουν πόσο δύσκολο είναι να μετακινήσετε βαριά αντικείμενα σε οποιαδήποτε επιφάνεια. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η επιφάνεια ενός στερεού δεν είναι απόλυτα λεία και περιέχει πολλές εγκοπές (έχουν διαφορετικά μεγέθη, τα οποία μειώνονται κατά τη λείανση). Όταν δύο σώματα έρχονται σε επαφή, τα δόντια συμπλέκονται. Αφήστε μια μικρή δύναμη (F) να εφαρμοστεί σε ένα από τα σώματα, κατευθυνόμενη εφαπτομενικά στις επιφάνειες επαφής. Υπό την επίδραση αυτής της δύναμης, οι εγκοπές θα παραμορφωθούν (λυγίσουν). Επομένως, μια ελαστική δύναμη θα εμφανιστεί κατευθυνόμενη κατά μήκος των επιφανειών επαφής. Η ελαστική δύναμη που ασκείται στο σώμα στο οποίο ασκείται η δύναμη F την αντισταθμίζει και το σώμα παραμένει σε ηρεμία.

Στατική δύναμη τριβής – δύναμη που προκύπτει στα όρια των σωμάτων που έρχονται σε επαφή με την απουσία της σχετικής κίνησής τους.

Η δύναμη στατικής τριβής κατευθύνεται εφαπτομενικά στην επιφάνεια των σωμάτων που έρχονται σε επαφή (Εικ. 10) στην αντίθετη κατεύθυνση από τη δύναμη F, και είναι ίση με αυτήν σε μέγεθος: Ftr = - F.

Καθώς αυξάνεται ο συντελεστής δύναμης F, η κάμψη των αγκιστρωμένων εγκοπών θα αυξηθεί και, τελικά, θα αρχίσουν να σπάνε και το σώμα θα αρχίσει να κινείται.

Δύναμη τριβής ολίσθησης – αυτή είναι η δύναμη που προκύπτει στα όρια των σωμάτων που έρχονται σε επαφή κατά τη σχετική κίνησή τους.

Το διάνυσμα δύναμης τριβής ολίσθησης κατευθύνεται αντίθετα από το διάνυσμα ταχύτητας του σώματος σε σχέση με την επιφάνεια στην οποία ολισθαίνει.

Ένα σώμα που ολισθαίνει σε μια συμπαγή επιφάνεια πιέζεται πάνω του από τη δύναμη της βαρύτητας P, που κατευθύνεται κατά μήκος της κανονικής. Ως αποτέλεσμα, η επιφάνεια κάμπτεται και εμφανίζεται μια ελαστική δύναμη N (κανονική δύναμη πίεσης ή αντίδραση στήριξης), η οποία αντισταθμίζει τη δύναμη πίεσης P (N = - P).

Όσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη N, τόσο πιο βαθιά είναι η λαβή των εγκοπών και τόσο πιο δύσκολο είναι να σπάσουν. Η εμπειρία δείχνει ότι το μέτρο της δύναμης τριβής ολίσθησης είναι ανάλογο με τη δύναμη της κανονικής πίεσης:

Ο αδιάστατος συντελεστής μ ονομάζεται συντελεστής τριβής ολίσθησης. Εξαρτάται από τα υλικά των επιφανειών επαφής και τον βαθμό λείανσης τους. Για παράδειγμα, όταν ταξιδεύετε με σκι, ο συντελεστής τριβής εξαρτάται από την ποιότητα του λιπαντικού (σύγχρονα ακριβά λιπαντικά), την επιφάνεια της πίστας του σκι (μαλακή, χαλαρή, συμπαγής, παγωμένη), την ιδιαίτερη κατάσταση του χιονιού, ανάλογα με η θερμοκρασία και η υγρασία του αέρα κ.λπ. Ένας μεγάλος αριθμός μεταβλητών παραγόντων καθορίζεται από το ότι ο συντελεστής δεν είναι σταθερός. Εάν ο συντελεστής τριβής κυμαίνεται από 0,045 - 0,055, η ολίσθηση θεωρείται καλή.

Ο πίνακας δείχνει τις τιμές του συντελεστή τριβής ολίσθησης για διάφορα σώματα επαφής.

Συντελεστές τριβής ολίσθησης για διάφορες περιπτώσεις

Ο ρόλος της δύναμης τριβής είναι θετικός σε πολλές περιπτώσεις. Χάρη σε αυτή τη δύναμη η κίνηση των ανθρώπων, των ζώων και επίγεια μεταφορά. Έτσι, όταν περπατάει, ένα άτομο, τεντώνοντας τους μύες του υποστηρικτικού ποδιού, σπρώχνει από το έδαφος, προσπαθώντας να μετακινήσει το πέλμα πίσω. Αυτό αποτρέπεται από τη δύναμη της στατικής τριβής που κατευθύνεται προς πίσω πλευρά– προς τα εμπρός (Εικ. 11).

Η δύναμη τριβής (Ftr.) είναι μια δύναμη που προκύπτει όταν οι επιφάνειες δύο σωμάτων έρχονται σε επαφή και εμποδίζει τη σχετική κίνησή τους. Εμφανίζεται λόγω ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων που δημιουργούνται από άτομα και μόρια στο σημείο επαφής αυτών των δύο αντικειμένων.

Για να σταματήσει ένα κινούμενο αντικείμενο, η δύναμη πρέπει να ενεργεί προς την αντίθετη κατεύθυνση από την κατεύθυνση της κίνησης. Για παράδειγμα, αν σπρώξετε ένα βιβλίο πάνω από ένα τραπέζι, αυτό θα αρχίσει να κινείται. Η δύναμη που εφαρμόζετε στο βιβλίο θα το μετακινήσει. Το βιβλίο γλιστρά, στη συνέχεια επιβραδύνει και σταματά λόγω τριβής.

Χαρακτηριστικά των δυνάμεων τριβής

Η τριβή που αναφέρεται παραπάνω, η οποία εμφανίζεται όταν κινούνται αντικείμενα, ονομάζεται εξωτερική ή ξηρή. Αλλά μπορεί επίσης να υπάρχει μεταξύ τμημάτων ή στρωμάτων ενός αντικειμένου (υγρό ή αέριο), αυτός ο τύπος ονομάζεται εσωτερικός.
Κύριο χαρακτηριστικόας ονομάσουμε την εξάρτηση της τριβής από την ταχύτητα σχετικής κίνησης των σωμάτων.
Υπάρχουν και άλλα χαρακτηριστικά γνωρίσματα:

• εμφάνιση όταν δύο κινούμενα σώματα έρχονται σε επαφή με επιφάνειες.
• η δράση του είναι παράλληλη με την περιοχή επαφής.
• κατευθύνεται αντίθετα από το διάνυσμα της ταχύτητας του σώματος.
• εξαρτάται από την ποιότητα των επιφανειών (λείες ή τραχιές) και τα αλληλεπιδρώντα αντικείμενα.
• Το σχήμα ή το μέγεθος ενός αντικειμένου που κινείται σε αέριο ή υγρό επηρεάζει το μέγεθος της δύναμης τριβής.

Τύποι τριβής

Υπάρχουν διάφοροι τύποι. Ας δούμε τις διαφορές τους. Ένα βιβλίο που γλιστρά πάνω σε ένα τραπέζι υπόκειται σε τριβή ολίσθησης.

Δύναμη τριβής ολίσθησης

Όπου N είναι η δύναμη αντίδρασης του εδάφους.

Παρακαλούμε σημειώστε ορισμένες καταστάσεις:

Εάν ένα άτομο οδηγεί ένα ποδήλατο, τότε η τριβή που συμβαίνει κατά την επαφή του τροχού με το δρόμο είναι τριβή κύλισης. Αυτός ο τύπος δύναμης είναι σημαντικά μικρότερος από τη δύναμη τριβής ολίσθησης.

Δύναμη τριβής κύλισης

Σημαντικά μικρότερες τιμές αυτού του τύπου δύναμης χρησιμοποιούνται από άτομα που χρησιμοποιούν τροχούς, κυλίνδρους και ρουλεμάν σε διάφορα κινούμενα μέρη συσκευών.

Ο Charles Augustin Coulomb, στο έργο του για τη θεωρία της τριβής, πρότεινε τον υπολογισμό της δύναμης τριβής κύλισης ως εξής:

,
μ - συντελεστής τριβής.
Το λιπαντικό, τις περισσότερες φορές με τη μορφή λεπτού στρώματος υγρού, μειώνει την τριβή.
Τα υγρά ή τα αέρια είναι ειδικά περιβάλλοντα στα οποία αυτού του τύπουδύναμη Σε αυτά τα περιβάλλοντα, η τριβή εμφανίζεται μόνο όταν το αντικείμενο κινείται. Είναι αδύνατο να μιλήσουμε για τη δύναμη της στατικής τριβής σε αυτά τα μέσα.

Δύναμη τριβής σε υγρά και αέρια

Αυτός ο τύπος δύναμης ονομάζεται δύναμη αντίστασης του μέσου. Επιβραδύνει την κίνηση ενός αντικειμένου. Το πιο βελτιωμένο σχήμα του αντικειμένου επηρεάζει το μέγεθος της δύναμης έλξης - μειώνεται σημαντικά. Ως εκ τούτου, στη ναυπηγική, χρησιμοποιούνται εξορθολογισμένες γάστρες πλοίων ή υποβρυχίων.
Η δύναμη αντίστασης του μέσου εξαρτάται από:

• γεωμετρικές διαστάσεις και σχήμα του αντικειμένου·
• ιξώδες υγρού ή αερίου μέσου.
• κατάσταση της επιφάνειας του αντικειμένου.
• την ταχύτητα ενός αντικειμένου σε σχέση με το περιβάλλον στο οποίο βρίσκεται.