Фізика. Повторне видання. 7 клас. Засєкіна
§ 14. Досліджуємо тертя
• Чому виникає тертя і яким воно може бути?
ДОСЛІДЖУЙ
1. Розглянь малюнки 14.1, а-д і встанови їх відповідність із видами тертя на схемі (1-4). У яких випадках, на твою думку, тертя потрібно збільшувати, а в яких — зменшувати?
Мал. 14.1
ДІЗНАВАЙСЯ
Чому виникає тертя і яким воно може бути? Тертя (friction) — один із видів взаємодії тіл. Розрізняють сухе та в’язке тертя. Сухе виникає у площині дотику рухомого тіла з поверхнею, в’язке — під час руху тіла в густому середовищі. І як будь-який вид взаємодії, тертя може бути більшим або меншим, що порівнюється й вимірюється відповідними силами тертя.
Сили тертя, як і сили пружності, — прояв сил міжмолекулярної взаємодії. Однією з причин виникнення сили тертя є шорсткість поверхонь тіл. Навіть гладенькі на вигляд поверхні тіл мають нерівності, горбики й подряпини. Коли одне тіло ковзає або котиться поверхнею іншого, ці нерівності зачіпляються одна за одну — виникає сила, що заважає руху. Друга причина тертя — взаємне притягання молекул поверхонь дотику. Коли поверхні дотику добре відполіровані, частина молекул розмішується так близько одна до одної, що стає відчутним притягання між молекулами тіл. У будь-якому випадку тертя перешкоджає взаємному переміщенню тіл, що контактують, і середовищ.
Причини тертя
Люди збільшують або зменшують тертя залежно від ситуації. Щоб зменшити тертя, додають між поверхнями дотику мастило. У цьому випадку ковзають одна по одній не поверхні тіл, а шари мастила, а тертя шарів рідин менше за тертя твердих тіл. Щоб збільшити тертя, поверхні роблять шорсткими, додають порошки чи інші речовини, що збільшують зчеплення.
Як вимірюють сили сухого тертя? Залежно від виду тертя розрізняють відповідні сили: спокою, ковзання, кочення.
Насте, Сашку, а чи зможете самостійно дослідити сили тертя? З’ясуйте, від чого вони залежать. Порівняйте їх. Скористайтеся тим, що у вас під рукою: книжками, олівцями, поверхнею парти. Я вам допомагатиму!
Гаразд, спробуємо!
Силу тертя спокою можна дослідити в такий спосіб. Спробуй зрушити з місця книжку, що лежить на парті (мал. 14.2, а). Тобі доведеться докласти хоч і незначних, але зусиль. А якщо потрібно зрушити вже дві книжки? Зусилля, які ти прикладеш, збільшаться, зросте й сила тертя спокою.
Якщо покласти на книжку олівець і піднімати її за один край, то можна побачити, як у певний момент часу олівець почне ковзати вниз (мал. 14.2, б). Тертя спокою утримувало олівець на книжці, допоки дія сили тяжіння не стала достатньою, щоб зрушити його з місця (подолати силу тертя спокою).
Сила тертя спокою Fтep. сп — це сила, яка виникає між двома дотичними тілами в разі спроби зрушити одне тіло відносно іншого й напрямлена в бік, протилежний тому, у який би рухалося тіло, якби тертя не було.
Мал. 14.2
Сила тертя спокою утримує вбиті в стіну цвяхи, перешкоджає мимовільно розв’язуватися шнуркам. Хоч як це дивно звучить, але саме тертя спокою забезпечує твій рух, оскільки з кожним кроком ти відштовхуєшся від нового місця поверхні.
Тіло, зрушене зі стану спокою, може або ковзати, або котитися поверхнею. Сила тертя ковзання виникає тоді, коли одне тіло ковзає поверхнею іншого. Вона напрямлена паралельно площині дотику в бік, протилежний до напрямку руху. Дослідами встановлено, що сила тертя ковзання Fтep. ковз прямо пропорційна величині сили реакції опори (силі нормального тиску) N: Fтep. ковз = μΝ, де μ (мю) — коефіцієнт пропорційності, який залежить від стану поверхонь тіл і властивостей речовин, з яких вони виготовлені.
Піднімаючи книжку, ми бачили, що олівець у певний момент починав ковзати — сила тертя спокою змінювалася силою тертя ковзання, що діє вздовж поверхні дотику тіл і трохи менша за максимальну силу тертя спокою. (Поясни чому. Візьми до уваги значення μ у таблиці 14.1.) Саме тому тіла починають рухатися з місця ривком і зрушити їх важче, ніж потім переміщати.
Таблиця 14.1. Значення коефіцієнта тертя μ для різних поверхонь
|
Поверхні, що контактують |
Значення коефіцієнта тертя μ |
|
|
спокою |
ковзання |
|
|
Дерево і дерево |
0,65 |
0,33 |
|
Метал і дерево |
0,60 |
0,40 |
|
Залізо й залізо |
0,15 |
0,14 |
|
Каучук і дерево чи метал |
0,80 |
0,55 |
|
Гума і твердий ґрунт |
0,4-0,6 |
0,3-0,5 |
|
Сталь і лід |
0,02 |
0,015 |
Якщо покласти олівець поперек книжки й повторити дослід, то можна побачити, що котитися олівець починає раніше (мал. 14.3, а). Порівняй свої зусилля, які витрачаєш на переміщення книжки різними способами (мал. 14.3, б).
Мал. 14.3
Підсумуй!
Сила тертя спокою (static friction force) Fтер. сп виникає між двома дотичними тілами, якщо спробувати вивести одне тіло зі стану спокою, і напрямлена проти того руху, який мав би виникнути. Зростає від 0 до F, за якої тіло починає рух. Fтер. сп = F
Сила тертя ковзання (sliding friction force) Fтер. ковз виникає у випадку, коли одне тіло ковзає поверхнею іншого. Сила тертя ковзання Fтep. ковз прямо пропорційна силі нормальної реакції опори Fтep. ковз = μN, де μ — коефіцієнт тертя ковзання. Якщо тіло тягнуть рівномірно, то Fтер. ковз = F
Сила тертя кочення (rolling friction force) Fтep. коч виникає, якщо одне тіло котиться по іншому. F тер. коч < F тер. ковз
Дізнаємося про опір середовища. Сила опору середовища (fluid friction) виникає під час руху тіла в середовищі (повітрі, рідині). Спостерігай уважно за зануренням тіл різної форми в рідинах різної в’язкості: воді, олії, прозорому шампуні. Для досліду візьми кульки, скріпки, монети. Яким буде їх рух?
Очікувано, що густішою є рідина, то більшого опору зазнає кулька. Ще бачимо, що рідина теж набуває руху. Подібні додаткові рухи (завихрення) виникають і в повітрі навколо рухомого тіла.
Найяскравіше явище, пов’язане з тертям у повітрі, — це зоряний дощ (мал. 14.4). Насправді жодна зоря не падає і не утворює дощу. Просто метеороїди, тверді уламки від піщинки до 30 м в діаметрі, потрапляючи в атмосферу Землі, зазнають такого тертя, що розжарюються, створюючи яскравий слід на небосхилі. Деякі з них не повністю згорають і можуть впасти на поверхню Землі. Такі тверді тіла називають метеоритами. Цікаво, що завдяки цим «космічним гостям» маса нашої планети збільшується.
Мал. 14.4
ДУМАЙ
1. За яких умов виникає сила тертя спокою? А сила тертя ковзання? Сила тертя кочення? Від чого залежать ці сили?
2. Розглянь малюнок 14.5. Чому брусок не скочується вниз? Яка сила утримує його в стані спокою? Накресли в зошиті сили, що діють на брусок.
Мал. 14.5
3. Розглянь малюнок 14.6. Поясни, що означає дорожній знак «Слизька дорога».
Мал. 14.6
4. Чому важко писати крейдою по мокрій дошці?
5. У яких випадках потрібно:
- збільшити тертя;
- зменшити тертя?
6. Чому коефіцієнти тертя надано для пари матеріалів, а не для кожного матеріалу окремо? Чому для однієї і тієї самої пари матеріалів відрізняються коефіцієнти тертя спокою та ковзання?
7. Об’єднайтесь у дві групи. Проведіть змагання: одна група має навести приклади позитивного впливу тертя, інша — негативного.
УЧИСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ФІЗИЧНІ ЗАДАЧІ
ЗАДАЧА
Щоб рівномірно посунути валізу масою 3 кг горизонтальною підлогою, треба прикласти силу 6 Н. Якою буде сила тертя ковзання, якщо у валізу покласти вантаж масою 4 кг?
ДІЙ
РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ
1. За допомогою динамометра рівномірно переміщують брусок уздовж горизонтальної поверхні. Чому дорівнює сила тертя спокою, якщо динамометр показує 4 Н?
2. Яка сила потрібна для рівномірного переміщення візка, якщо сила тертя становить 0,02 його ваги? Вага візка 500 Н.
3. Яка сила тертя між загальмованими колесами автомобіля та асфальтовою дорогою, якщо вона становить 0,4 ваги автомобіля, а вага автомобіля дорівнює 15 кН?
4. Під час ковзання дерев’яного бруска горизонтальною дошкою сила тертя становить 0,3 ваги тіла, а під час кочення дерев’яного циліндра сила тертя становить лише 0,06 ваги тіла. У скільки разів сила тертя кочення менша, ніж сила тертя ковзання?
5. Цеглину масою 1 кг рівномірно переміщують горизонтальною поверхнею. Визнач силу тертя, якщо коефіцієнт тертя між цеглиною і поверхнею 0,3.
6. Якщо до столу масою 80 кг прикласти зусилля 100 Н паралельно підлозі, він залишиться нерухомим. Яку додаткову силу необхідно прикласти, щоб зрушити стіл, якщо сила тертя спокою стола на підлозі становить 0,3 його ваги?
ВИКОНАЙ ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ
Виконуй досліди з дотриманням правил безпеки життєдіяльності!
