Трение в природе и технике – примеры и доклад кратко (7 класс, физика)

4

Средняя оценка: 4

Всего получено оценок: 152.

Обновлено 19 Июля, 2021

4

Средняя оценка: 4

Всего получено оценок: 152.

Обновлено 19 Июля, 2021

Любые изменения движения тела — это результат действия на него некоторой силы со стороны других тел. Чаще всего рассматривается силовое взаимодействие между двумя телами. Однако в реальных условиях чаще всего на тело действует ещё одна сила, исключить которую практически невозможно, — это сила трения. Кратко поговорим об этой силе в объёме, достаточном для доклада или сообщения на школьном уроке, приведём примеры силы трения в природе и технике.

Сила трения и ее физическая природа

Как известно из курса физики 7 класса, если на тело не действуют никакие силы, — оно либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно, причём такое состояние будет сохраняться вечно. Однако все знают, что в реальности, если тело не подталкивать, оно рано или поздно остановится.

Почему?

Дело в том, что в реальных условиях на все тела практически всегда действует особая сила, противодействующая их движению, — сила трения. Она и приводит к тому, что скорость любого движущегося тела рано или поздно уменьшается до нуля.

Физическая природа силы трения лежит во взаимодействии молекул тела с окружающей средой, а также молекул между собой. Разное сочетание такого взаимодействия создает различные виды силы трения — трение покоя, трение скольжения, трение качения, сухое и жидкое трение. И энергия движения в результате трения превращается во внутреннюю энергию тел и окружающей среды.

Рис. 1. Сила трения.

Роль трения в природе и технике

Казалось бы, существование сил трения — это исключительно вредное явление, которое только создаёт проблемы, приводит к потере энергии и дополнительным затратам.

Однако всё не так однозначно. Трение — это неотъемлемая часть материального мира, и без трения мир бы был совершенно иным.

Даже многие естественные природные явления невозможны без трения. Например, поверхность суши в немалой степени зависит от движения воздушных масс и от их трения о поверхность земли. Волнение на море — это результат трения воздуха о водную поверхность. Скорость суточного вращения Земли в немалой степени определяется трением внутри земного шара.

Для живой природы и человека трение еще важнее: практически любое произвольное движение живого существа происходит с участием трения. Захват предметов, манипулирование ими, даже питание и переваривание пищи — всё это возможно благодаря трению. Чтобы сделать шаг, необходимо иметь хорошее сцепление подошвы ноги с грунтом. Любой знает, как непросто двигаться по скользкому льду, а ведь в этом случае трение просто уменьшено, оно не исключено совсем!

В жизни человека и в технике трение еще более важно. С помощью трения происходит движение, обработка материалов, большинство манипуляций в хозяйственной деятельности. Все разъёмные резьбовые соединения существуют исключительно благодаря трению.

Рис. 2. Резьбовое соединение

Уменьшение трения

Всё сказанное не отменяет и вредные стороны трения.

В результате трения полезная энергия тел превращается в бесполезную внутреннюю энергию среды, кроме того, происходит изнашивание трущихся поверхностей. Поэтому там, где это необходимо, предпринимаются меры для уменьшения трения.

В первую очередь, сухое трение заменяется жидким, поскольку жидкое трение гораздо ниже сухого. Достигается это использованием смазочных материалов.

Во-вторых, трение скольжения по возможности заменяется на трение качения. Для этого используются подшипники — специальные устройства, в которых между движущимися частями перекатываются шарики или ролики. Кроме того, бывают гидравлические и пневматические подшипники — устройства, где между движущимися частями имеется слой жидкости или газа.

Рис. 3. Подшипники.

Что мы узнали?

Трение — это физическое явление, которое может быть как необходимым, так и вредным. Благодаря трению в природе и технике совершается большинство произвольных движений, благодаря ему существуют разъёмные соединения. Если трение надо уменьшить, применяются подшипники, а сухое трение скольжения заменяется жидким трением и трением качения.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

4

Средняя оценка: 4

Всего получено оценок: 152.

---

А какая ваша оценка?

Трение в кинематических парах — Теория машин и механизмов (ТММ) (Инженерия)

9. Трение в кинематических парах

9.1. Виды трения

Когда одно тело соприкасается с другим, то независимо от их физического состояния (твёрдое, жидкое, газообразное) возникает явление, называемое трением. В зависимости от характера относительного движения тел различают трение скольжения и трение качения. Сила, препятствующая относительному движению контактирующих тел, называется силой трения. Вектор этой силы лежит в плоскости, касательной к поверхности тел в зоне их контакта.

Сила трения скольжения уменьшается, если соприкасающиеся тела смазаны  специальными смазочными материалами, причём, если материал – жидкость, полностью разделяющая контактирующие поверхности, то трение называется жидкостным. При совершенном отсутствии смазки имеет место сухое трение. Если смазывающая жидкость не полностью разделяет трущиеся поверхности, то трение называется полужидкостным или полусухим в зависимости от того, какой из двух видов трения преобладает.

Применяемые смазки делятся на несколько видов: твёрдые, жидкие, газовые; при этом смазка может быть: гидро- или газостатической, когда она поступает под давлением в зазор между трущимися телами, а также гидро- или газодинамической, когда она разделяет трущиеся поверхности в результате давления, самовозникающего в слое жидкости при относительном движении тел.

Сцепление и трение широко используется в современной технике. Благодаря сцеплению движутся различные транспортные средства. Принцип действия фрикционной, ременной и других передач основан на использовании трения. Распространение получила сварка трением. Вместе с тем трение отрицательно сказывается там, где оно вызывает потери энергии

9.2. Трение скольжения в поступательных парах

Сила трения на поверхности соприкосновения двух звеньев направлена в сторону, противоположную скорости относительного движения и приближённо может быть определена по формуле Кулона 

                                 ,

где – сила реакции, нормальная к поверхности контакта; — коэффициент трения скольжения (величина, постоянная в определённом диапазоне скоростей и удельных давлений).

       Коэффициент трения зависит от многих факторов (чистоты поверхности, наличия и качества смазки, материала тел и др.) и определяется экспериментально.

Сила трения покоя (сила сцепления), т. е. сила, которую надо преодолеть, чтобы тело привести в движение обычно больше силы трения скольжения, поэтому различают коэффициент сцепления  и коэффициент трения скольжения .

Сила трения возникает как результат действия внешних сил F, поэтому она является реактивной силой, в результате действия которой суммарная реакция  отклоняется на угол  от нормали к трущимся поверхностям (рис. 92, а). При этом . Угол  называется углом трения скольжения.

  Если построить конус с углом при вершине 2·ρ (рис. 92, б), то получим конус трения. Движение возможно при  или   при

       ,

т.е. при , причём, если , то движение происходит с .

                                            рис. 92

В общем случае движение возможно, если сила внешнего воздействия F находится за пределами конуса трения.

Мощность, затрачиваемая на трение скольжения равна:

                      ,

где знак зависит от направления скоростей.

9.3. Трение скольжения во вращательных парах

Вращательные кинематические пары, образуемые цапфами валов и их опорами, широко распространены в машиностроении. Цапфами называются части валов и осей, посредством которых они опираются на подшипники. Трение цапф в подшипниках удобно оценивать величиной момента сил трения скольжения относительно оси вращения (рис. 93):

,

где  полная реакция;

       радиус круга трения, равный:

   .

    Мощность, затрачиваемая на трение, равна:

.

                 рис. 93

9.4. Трение качения

В случаях идеально твёрдых тел, одно из которых катится по поверхности другого, соприкосновение их происходит по линии или в точке и сопротивление качению отсутствует, так как линии действия сил  совпадают (рис. 94, а) и сумма моментов относительно точки А равна . В действительности соприкосновение происходит не по линии, а по поверхности вследствие деформаций (рис. 94, б) и сумма моментов () равна:

        .

При  и      получим ,   т.е.

 коэффициент трения качения, измеряемый в единицах   длины.   Часто   ис-

                                    рис. 94                                пользуется величина , называемая приведённым коэффициентом трения качения. При этом сила трения качения по аналогии с силой трения скольжения может быть представлена в виде:    .

Мощность, затрачиваемая на трение, равна:  

                                    ,

где  — скорость качения центра катка.

Для подшипников качения: ,

где d – диаметр подшипника по внутреннему кольцу.

Коэффициент  принимается:  

    — для шарикоподшипников;

    — для роликоподшипников.

9.5. Особенности учёта сил трения при силовом расчёте

рычажных механизмов

Для учёта сил трения в кинематических парах рычажных механизмов при определении  или  используется метод приведения сил трения, позволяющий определять уточнённые значения  () без повторного силового расчёта с учётом трения по формуле:

                                   ,

где — уравновешивающий момент, вычисленный без учёта трения;

  — момент трения, приведённый к вращающемуся с угловой скоростью  входному звену, и равный:

                                          .

Здесь — суммарная мощность сил трения в кинематических парах.

Для определения реакций в кинематических парах с учётом трения обычно используется метод последовательных приближений, когда по найденным без учёта трения реакциям определяются силы и моменты трения в кинематических парах. Затем эти силы прикладываются как внешние и производится перерасчёт реакций в установленном порядке. Обычно достаточно одного перерасчёта (итерации).

9.6. Коэффициент полезного действия (кпд) машины

Энергия, потребляемая машиной, расходуется на преодоление полезных и вредных сопротивлений. Полезные – это сопротивления, для преодоления которых машина предназначается. Вредные – это сопротивления, преодоление которых не даёт производственного эффекта.

Механическим КПД () называется отношение полезной работы  или мощности  к затраченной (). Потери механической энергии в разного рода устройствах состоят главным образом из потерь на трение:

           ,

где  — коэффициент потерь.

При холостом ходе машины , но могут быть случаи когда , что означает невозможность совершать движение из-за явления, называемого самоторможением. Например, червячный редуктор не может совершать вращение со стороны червячного колеса.

Рассмотрим машину как совокупность n элементов, соединённых различным образом между собой.

1. Элементы соединены последовательно и кпд () каждого из них известны (рис. 95, а). Тогда

                                                       рис. 95

;        ;      …       ,

т.е. общее кпд всей цепи равно:

                    

Поэтому следует стремиться к созданию простых конструкций с малым числом элементов.

2. Элементы соединены параллельно (рис. 95, б). Тогда

                               ,

где  — коэффициент распределения энергии.

При  получим , следовательно низкое качество отдельных элементов меньше влияет на общее кпд машины, чем при последовательном соединении.

Сложные механизмы могут образовывать разветвлённую систему, состоящую из последовательного и параллельного соединённых более простых механизмов, где кпд определяется согласно указанным выше правилам.

Так как любой механизм представляет собой кинематическую цепь с последовательно и параллельно соединёнными в кинематических парах звеньями, то общее кпд механизма вычисляется аналогично при известных кпд кинематических пар.

Например, необходимо определить  механизма с низшими парами, изображённого на рис. 96.

 — мощность сил полезного сопротивления;

-затраченная мощность.

.

Лекция «2 Методолгия социального познания» также может быть Вам полезна.

                            рис. 96

Мощность, затраченная на трение в кинематических парах, равна:

         ;           ;

        ;        ,

где коэффициенты трения в парах; диаметры шарниров во вращательных парах. Мгновенный кпд, который является функцией положения звена 1, равен:

                                           .

Трение

Трение

Предположим, вы хотите переместить тяжелый картотечный шкаф, который стоит посреди вашего кабинета, в угол. Вы толкаете на нем, но ничего не происходит. Что происходит?
Вы прикладываете силу, но ускорения нет. Чистая сила должен быть равен нулю.
Какая сила равной величины направлена ​​в направлении, противоположном направление силы, которую вы прикладываете?

Сила трения покоя ( f _s ) отменяет приложенное усилие, когда шкаф в покое, пока вы толкаете его.

Ты давишь сильнее. В конце концов шкаф отрывается и начинает ускорение. Но вы должны продолжать толкать, чтобы он двигался с постоянной скоростью. Когда вы перестаете давить, он быстро замедляется и приходит в покой. Почему?

Во время движения шкафа сила кинетическое трение ( f _k ) противодействует приложенная сила. Когда он движется с постоянной скоростью, оба силы точно отменяют.

Откуда берутся эти силы трения? Силы трения являются межмолекулярными силами. Эти силы действуют между молекулами двух разных поверхностей, находящихся в тесный контакт друг с другом. В микроскопическом масштабе большинство поверхностей грубы. Даже поверхности, которые выглядят идеально гладкими невооруженным глазом показать много выступов и вмятин под микроскопом. Межмолекулярный силы наиболее сильны там, где эти выступы и вмятины смыкаются в результате тесный контакт. Составляющая межмолекулярной силы нормали к поверхностям обеспечивает нормальную силу, которая предотвращает объекты от прохождения друг через друга и компонента, параллельного поверхность отвечает за силу трения.

Предположим, что шкаф стоит на полу. Никто давит на это. Суммарная межмолекулярная сила между молекулы двух разных поверхностей нормальны к поверхности. Сила тяжести, действующая на шкаф (красная стрелка) уравновешивается действующей на него нормальной силой пола (черная стрелка).

Теперь предположим, что вы толкаете шкаф. Шкаф не двигается, но молекулы поверхности смещаются микроскопические количества. Это приводит к чистой межмолекулярной силе, которая имеет касательная к поверхности составляющая (сила трения покоя). Эта тангенциальная составляющая противодействует приложенной силе. Чистая сила на кабинет нулевой. Чем сильнее вы давите, тем больше становится микроскопическое смещение поверхностных молекул и тем больше тангенциальное составляющая чистой межмолекулярной силы.

Если сильно надавить, некоторые выступы на поверхности оторвутся, т.е. часть поверхностных молекул полностью смещены. Горизонтальная составляющая чистой межмолекулярной сила уменьшается и уже не полностью противостоит приложенной силе. Кабинет разгоняется. Но в то время как горизонтальная составляющая уменьшилось, оно не исчезло. Теперь ее называют силой кинетики. трение. Чтобы шкаф продолжал ускоряться, вы должны толкать его с силой. сила больше по величине, чем сила кинетического трения.

Хранить он движется с постоянной скоростью, вы должны толкать его с силой, равной величине силы кинетического трения. Если вы перестанете давить, сила кинетического трения вызовет ускорение в противоположном направлении. направлении скорости, и шкаф замедлится и остановится.

Сила трения действует всегда между двумя поверхностями и противодействует относительному движению двух поверхности.

Максимальная сила трения покоя между двумя поверхностями примерно пропорциональна величине сила, прижимающая две поверхности друг к другу. Пропорциональная постоянная называется коэффициентом статики

. трение μ _с . величина силы трения покоя всегда меньше или равно мк _s N,   Запишем f _s ≤ µ _s N, где f _s — величина сила трения, а N – величина силы, прижимающей поверхности вместе. Для шкафа и пола N — вес кабинета. Коэффициент статического трения представляет собой число (не единицы измерения). Чем шероховатее поверхность, тем больше коэффициент статическое трение.

Пока приложенная сила имеет величину меньше, чем μ _с Н, сила трения покоя f

с имеет ту же величину, что и приложенная сила, но указывает на противоположное направление.

Величина силы кинетического трения, действующей на объект равен f _k = µ _k N, где µ _k – коэффициент кинетического трения . Для большинства поверхности, μ _k меньше, чем μ _s .

Это короткий видеоклип иллюстрирует разницу между статическим и кинетическим трение.

Проблема:

Гоночный автомобиль равномерно разгоняется от 0 до 130 км/ч за 8 с. Величина сила, ускоряющая автомобиль, примерно равна величине сила трения между шинами и дорогой. Если шины не крутятся, определить минимальный коэффициент статического трения между шинами и дорога.

Решение:

• Обоснование:
  Величина силы, ускоряющей автомобиль, равна F = ma. Мы предполагаем что сила трения покоя f _s имеет одинаковую величину.
  f _с = ma = μ _{с (мин)} Н. Нормальная сила равна Н = мг и мк _с(мин) – минимально необходимый коэффициент статики трение.
• Детали расчета:
  Величина ускорения равна a = (80 миль/ч)/(8 с) = (35,76 м/с)/(8 с) = 4,47 м/с ² .
  Величина силы, ускоряющей автомобиль, равна f _с = ma = μ _{с (мин)} N = μ _{с (мин)} мг.
  Таким образом, мы имеем a = μ _{с (мин)} г, μ _{с (мин)} = а/г = 4,47/9,8 = 0,46.

Проблема:

Женщина в аэропорту буксирует свой 20-килограммовый чемодан с постоянной скоростью, потянув за лямку под углом θ над горизонтом. Она тянет лямку с силой 35 Н, и сила трения о чемодан 20 Н.
(a) Нарисуйте свободную схему корпуса чемодана.
б) Какой угол образует ремешок с горизонталью?
в) Какая нормальная сила действует на чемодан со стороны земли?

Решение:

• Обоснование:
  постоянная скорость <--> без ускорения <--> без результирующей силы
  X- и y-компоненты всех сил должны в сумме равняться нулю.
  Чтобы отслеживать все силы, полезно нарисовать диаграмму свободного тела.
• Детали расчета:
  (а) См. рисунок справа.
  (b) Чемодан движется с постоянной скоростью, результирующая сила, действующая на чемодан ноль.
  F _x = 0 подразумевает (35 Н)cosθ = 20 Н, или cosθ = 20/35, θ = cos ^-1 (20/35) = 55,15 ^o .
  (в) F _г = 0 означает мг = n + (35 Н)sinθ, (20 кг)(9,8 м/с ² ) = n + (35 Н)0,82,
  n = 167,3 Н,

Проблема:

Определите тормозной путь лыжника со скоростью 20 м/с на склоне, который составляет угол θ с горизонтом. Предположим, что μ _к = 0,18 и θ = 5 ^o .

Решение:

• Обоснование:
  Нарисуйте схему свободного тела.
  Составляющая чистой силы, перпендикулярная уклону, должна быть равна нулю.
  Нормальная сила должна компенсировать перпендикулярную составляющую силы тяжести.
  Следовательно, величина нормальной силы n = mg cosθ.
  Величина силы трения пропорциональна нормальной силе, f _k = μ _k мг cosθ.
  Компонент чистой силы вниз по склону равен F = mg sinθ — μ _k mg cosθ.
  Это векторная сумма силы трения и тангенциальной составляющей сила тяжести.
  Ускорение вниз по склону, создаваемое этой результирующей силой, равно F/m = g sinθ. — μ _k g cosθ.
• Детали расчета:
  мк _к г cosθ = 0,18 (9,8 м/с ² ) cos(5 ^o ) = 1,76 м/с ² .
  г sinθ = (9,8 м/с ² ) sin(5 ^o ) = 0,85 м/с ² .
  a = g sinθ — μ _k g cosθ = -0,91 м/с ²
  Ускорение направлено вверх по склону, в направлении, противоположном скорости.
  Ускорение постоянно. Теперь мы можем использовать кинематические уравнения для решения для тормозного пути.
  Мы есть 0 — v ₀ = -at, t = v ₀ /a = (20/0,91) с = 21,98 с за время заставляет лыжника остановиться.
  За это время он проходит расстояние s = v ₀ t — ½at ² . с = 219,8 м.

Связь: Решение задач наклонной плоскости (Youtube)

Проблема:

Предположим, вы едете на машине по шоссе на высокой скорости. Почему должен вы избегаете ударов по тормозам, если хотите остановиться на кратчайшем расстоянии? То есть, почему вы должны держать колеса вращающимися при торможении?

Решение:

• Рассуждение
  Когда колеса вращаются, трение между поверхностями тормозные колодки и диски или барабаны колес отвечает за замедление автомобиля. Когда колеса заблокированы, трение между шины и дорога замедляют автомобиль. Тормозные колодки предназначены для работа, а коэффициент кинетического трения между тормозными колодками и диск или барабан большой.

Проблема:

Тяжелый ящик в кузове пикапа. Грузовик и коробка ускоряются влево. Каково направление сила трения на коробке?

Решение:

• Обоснование:
  Коробка ускоряется влево. Единственная сила с горизонтальным составляющая, действующая на коробку, — трение. Направление сила трения на коробке направлена ​​влево. Трение ускоряет коробку влево и предотвращает относительное движение коробки и кровать грузовика. (Без трения грузовик просто отъехал бы из коробки.) Сила трения равной величины, направленная противоположное направление действует на грузовик. Таким образом, грузовик ускоряется по более низкой ставке, чем если бы коробки не было.

Сила трения — НАУКА ВОСЬМОГО КЛАССА

Силы, такие как гравитация и трение, могут влиять на скорость и направление объекта.

Сила

Трения

Трение — это сила, возникающая при трении одного объекта о другой объект, вызывающий сопротивление движению.

Сила трения сопротивляется движению.

Факторы, определяющие силу трения

:

(1) типы взаимодействующих поверхностей.
(2) величина усилия, прижимающего поверхности друг к другу.

Трение — это сила, которая сопротивляется движению

трение — это сила, которая препятствует скольжению между двумя соприкасающимися поверхностями. Он может замедлить или даже остановить движение объекта.

Интерактивное руководство:

1. Что происходит с частицами, когда две поверхности трутся друг о друга?
2. Что происходит с температурой, когда две поверхности трутся друг о друга?

Сила

трения  всегда замедляет или останавливает  движение объекта в противоположном направлении.

Обратите внимание, что сила трения работает в направлении, противоположном движению объекта.

Например, трение замедляет или останавливает движение движущихся частей машин.

​Другим примером может служить спортивная обувь с канавками протектора для увеличения трения, имеющая лучшее сцепление при начале или остановке движения, чем обувь с гладкой подошвой.

​ ​Трение также может быть силой, затрудняющей начало движения объекта. К неподвижному объекту необходимо приложить достаточную силу, чтобы преодолеть трение между соприкасающимися поверхностями.

​Чем ровнее две поверхности, тем меньше трение между ними; поэтому движущийся объект не будет замедляться так быстро.

Трение между поверхностями может быть уменьшено, чтобы объекты могли двигаться легче, путем сглаживания поверхностей, использования колес или роликов между поверхностями или смазывания/смазывания поверхностей.

Если бы трение можно было устранить, объекты продолжали бы двигаться во веки веков!

Типы

Трения

Кинетическое трение относится к сопротивлению, создаваемому двумя объектами, скользящими друг относительно друга, когда объект(ы) находится в движении. Это также можно назвать трением скольжения.

S статическое трение — это сила, которая сопротивляется силе, приложенной к объекту, и объект остается в покое до тех пор, пока не будет преодолена сила трения покоя. Кинетическое трение отличается тем, что объект движется, хотя сила трения сопротивляется его движению. Статическое трение: объект не может преодолеть трение и не движется.

Кинетическое трение возникает, когда приложенная сила достаточно велика, чтобы преодолеть статическое трение.

Трение качения — это сила сопротивления, которая замедляет движение катящегося шарика или колеса. Его также называют сопротивлением качению.

​ ​Трение в жидкости — это сила, препятствующая движению в жидкостях или газах. Если вы когда-нибудь пытались провести открытой ладонью по воде в ванне или бассейне, вы сталкивались с трением жидкости.

Большая Сила Большая Трение

Чем больше сила, прижимающая две поверхности друг к другу, тем сильнее трение препятствует движению поверхностей.

• Чем тяжелее объект, тем больше сила трения между поверхностями.
• Чтобы переместить тяжелый предмет, необходимо приложить большую силу, чтобы преодолеть трение между поверхностями.

Выберите Friction ниже, чтобы поэкспериментировать с силой трения

Интерактивное руководство:

1. Что происходит с силой трения, когда приложенная сила увеличивается?
2. Что происходит со скоростью объекта, когда трение отсутствует?
3. Что происходит со скоростью объекта, когда трение «много»?
4. В каком направлении всегда указывает стрелка силы трения по сравнению с приложенной силой?
5. Что происходит с силой трения, когда вы добавляете массу?

Трение и Сила тяжести Обзор

Видеогид: Что произойдет, если трение перестанет работать?

Советы по теме

• Трение — это сила, действующая в направлении, противоположном движению объекта.