Praca badawcza „Siła tarcia i jej korzystne właściwości. Tarcie Rodzaje sił tarcia Od czego zależy siła tarcia? Tarcie w mechanizmach i maszynach Ciekawostki

Jeśli nagle zechcesz przenieść ciężki przedmiot, stanie się oczywiste, że coś Cię blokuje. Siła tarcia będzie zakłócać ruch. Na każdym kroku spotykamy się z tarciami. W dosłownym tego słowa znaczeniu. Mówiąc dokładniej, nie możemy zrobić kroku bez tarcia, ponieważ siły tarcia utrzymują nasze stopy na powierzchni.

Tarcie jest konsekwencją wielu powodów, ale są dwa główne. Po pierwsze, powierzchnie ciał są nierówne, a postrzępione krawędzie jednej powierzchni przylegają do chropowatości drugiej. Jest to tak zwane tarcie geometryczne. Po drugie, ciała trące są ze sobą w bardzo bliskim kontakcie, a na ich ruch wpływa oddziaływanie cząsteczek (tarcie molekularne).

Istnieją trzy rodzaje tarcia: tarcie statyczne, tarcie ślizgowe i tarcie toczne.

Statyczna siła tarcia - siła, która powstaje pomiędzy dwoma stykającymi się ciałami i zapobiega występowaniu ruchu względnego. Aby wprawić w ruch dwa stykające się ciała względem siebie, należy pokonać tę siłę.

Przesuwna siła tarcia - siła powstająca pomiędzy ciałami stykającymi się podczas ich względnego ruchu.

Siła tarcia tocznego - nazwać opór powstający, gdy jedno ciało toczy się po powierzchni drugiego.

Oczywiście każde zjawisko ma zalety i wady. Głupotą jest twierdzenie, że tarcie nie jest potrzebne na przykład dlatego, że części się zużywają. Ale jak byśmy pojechali?

Poniżej postaram się napisać główne zalety i wady, chociaż z góry wiem, że jest to trudne.

Bez tarcia przedmioty wyślizgiwałyby się nam z rąk, a my nie moglibyśmy chodzić po ziemi, a jedynie ślizgalibyśmy się (ośmielę się powiedzieć, jak ślimaki).
Tarcie jest główną, a czasami jedyną siłą, która może zatrzymać poruszające się ciało.
Tarcie zapobiega prostowaniu się nitek i rozpadaniu się tkaniny na pojedyncze nitki.
Rozpalanie ognia w prymitywny sposób.

Tarcie to czynnik, który zamienia część energii przekazanej układowi (na przykład wibracje) na ciepło, aż do całkowitego zużycia tej energii. Na przykład, gdy huśtawka się kołysze, wcześniej czy później zatrzyma się, jeśli nie zostaną podjęte żadne działania.
Tarcie statyczne jest główną przeszkodą w przemieszczeniu ciężkiego przedmiotu z miejsca.
Tarcie powoduje zmniejszenie wydajności części i zespołów mechanizmów, pogorszenie jakości powierzchni, a w konsekwencji gwałtowny spadek wydajności, w niektórych przypadkach awarię części i zespołów, a nawet całego mechanizmu.

Zdaję sobie sprawę, że ten podział jest czysto codzienny. Każdy plus można zamienić na minus, a minus na plus. Mogę z pewnością powiedzieć, że zdecydowanie nie możemy obejść się bez tarcia. Można powiedzieć, że nam to przeszkadza, ale nie zapominajmy, ile razy pomogło. Po prostu o tym nie myślimy. I prawdopodobnie byłoby warto, chociaż jest to pytanie filozoficzne.

Jeżeli uważacie, że lista jest niekompletna i chcielibyście ją uzupełnić, prosimy o zgłaszanie swoich propozycji w komentarzach.

Czy wiesz, że już w 1500 roku genialny Leonardo da Vinci bardzo interesował się tym, od czego zależy siła tarcia i co ona reprezentuje? Dziwne eksperymenty, które przeprowadził, wywołały niemałe zdziwienie wśród jego uczniów, czego innego można było się spodziewać po ludziach, którzy widzieli utalentowanego naukowca ciągnącego po podłodze linę, albo rozwiniętą na całą długość, albo ciasno zwiniętą. Te i inne podobne eksperymenty pozwoliły mu nieco później (w 1519 r.) stwierdzić: siła tarcia, która pojawia się, gdy jedno ciało styka się z powierzchnią drugiego, zależy bezpośrednio od obciążenia (siły nacisku), nie zależy od obszaru interakcji i jest skierowany w kierunku przeciwnym do strony ruchu.

Otwarcie formuły

Minęło 180 lat i model Leonarda został na nowo odkryty przez G. Amontona, a w 1781 roku S. O. Coulomb nadał mu ostateczne sformułowanie w swoich dziełach. Zasługą tych dwóch naukowców jest to, że wprowadzili taką stałą fizyczną, jak współczynnik tarcia, umożliwiając w ten sposób wyprowadzenie wzoru, na podstawie którego można obliczyć, jaka jest siła tarcia dla konkretnej pary oddziałujących ze sobą materiałów. Do tej pory jest to wyrażenie

fa t = k t x P, gdzie

P to siła nacisku (obciążenie), a k t to współczynnik tarcia, który migruje z roku na rok do różnych podręczników i podręczników fizyki, a same współczynniki są od dawna obliczane i zawarte w standardowych podręcznikach inżynieryjnych. Wydawać by się mogło, że zjawisko to wreszcie zostało całkowicie wyjaśnione, jednak tak nie było.

Nowe niuanse

W XIX wieku naukowcy nabrali przekonania, że sformułowanie zaproponowane przez Amontona i Coulomba nie jest uniwersalne i całkowicie poprawne, a siła tarcia nie zależy tylko od współczynników i przyłożonego obciążenia. Ponadto istnieje trzeci czynnik - jakość obróbki powierzchni. W zależności od tego, czy jest ona gładka, czy szorstka, siła tarcia będzie przyjmować inną wartość. W zasadzie jest to całkiem logiczne: przesuwanie przesuwającego się obiektu jest znacznie łatwiejsze w porównaniu do przesuwania obiektu o nierównej powierzchni. Pod koniec XIX wieku pojawiły się nowe osiągnięcia w badaniu lepkości i stało się jasne, jak siła tarcia działa w cieczach. I choć smarowanie powierzchni trących stosowano od samego początku technologii, to dopiero w 1886 roku, za sprawą O. Reynoldsa, pojawiła się spójna teoria poświęcona smarowaniu.
Jeśli więc jest go wystarczająco dużo i nie ma bezpośredniego kontaktu między dwoma obiektami, siła tarcia zależy tylko od jego hydrodynamiki. A jeśli nie ma wystarczającej ilości smaru, aktywowane są wszystkie trzy mechanizmy: siła Coulomba, siła lepkiego oporu i siła, która zapobiega jego oddalaniu się. Czy sądzisz, że ta teoria położyła kres badaniu tego zjawiska? Zgadza się, nie. U progu XX wieku okazało się, że przy niskich prędkościach przy braku smarowania pojawia się efekt pasków. Jego istotą jest to, że w przypadku braku smarowania siła oporu nie zmniejsza się natychmiast od siły początkowej do poziomu siły kulombowskiej, lecz stopniowo spada wraz ze wzrostem prędkości. W XX wieku dalsze badania w tym zakresie przyniosły tak wiele nowych informacji, że należało je w jakiś sposób usystematyzować. W rezultacie pojawiła się cała nauka - trybologia, która bada, jak działa siła tarcia w przyrodzie. W samych Stanach Zjednoczonych liczba naukowców zajmujących się tą dziedziną przekroczyła tysiąc osób, a na całym świecie publikowanych jest rocznie ponad 700 artykułów na ten temat. Ciekawe, jakie jeszcze ciekawe rzeczy uda się odkryć naukowcom? Poczekaj i zobacz!

To nie idzie - to po prostu idzie,

Bo jest lodowato

Ale spada świetnie!

Dlaczego nikt nie jest szczęśliwy?

Taka naiwna rymowanka na pierwszy rzut oka - ale ile zawiera, jeśli spojrzeć na nią z fizycznego punktu widzenia! Przecież to właśnie w nim zawarty jest system sprzecznych postaw wobec osławionej siły tarcia. Ta nieustanna walka, w której rywalizują ze sobą dwie koncepcje – szkoda i korzyść wynikająca z tarcia, nigdy nie będzie miała zwycięzcy. Przecież to, co dla jednego jest wygodne i korzystne, dla innego często jest zupełnie odwrotne – złe, jak w tym wierszu.

Czy pamiętasz historię Nikołaja Nosowa o zjeżdżalni lodowej, którą chłopaki zbudowali na podwórku? A kiedy wszyscy wyszli na lunch, wyszedł ten, który nie brał udziału w budowie. Próbował się na nią wspiąć, ale tylko się zranił, ale nie mógł się wspiąć. A dzieciak zgadł, że posypuje piasek lodem - bardzo wygodnie było wspiąć się na samą górę, nawet na lodzie! W ten sposób, wykorzystując piasek do wzmocnienia przestrzeni pomiędzy śliskim lodem a podeszwą, chłopiec zdał sobie sprawę, że zalety tarcia pozwalają pokonywać przeszkody.

Ale po obiedzie dzieci wyszły z kostkami lodu, żeby pobawić się na zjeżdżalni. Ale tak nie jest: sanki nie jeżdżą po piasku! Dla nich sytuacja odwróciła się w drugą stronę, pokazując szkodliwość tarcia.

Podobne przypadki widzimy zimą, kiedy chłopcy toczą lodowe ścieżki i biegają po nich, pokonując dystans w ciągu kilku minut! A za nimi starsi ludzie kuśtykają, ślizgają się na zaśnieżonych zboczach i upadają, łamiąc ręce i nogi. Oto znowu wyraźne przykłady, w których w tym samym przypadku współistnieją zarówno szkody, jak i korzyści wynikające z siły tarcia.

Aby zmniejszyć tarcie, narciarze smarują narty specjalnymi maściami, które zwiększają prędkość podczas jazdy. Lodowiska używane przez łyżwiarzy szybkich lub łyżwiarzy figurowych są okresowo podlewane i czyszczone, także w celu zmniejszenia tarcia. Wręcz przeciwnie, ścieżki dla pieszych posypuje się piaskiem lub popiołem, aby nikt na nie nie spadł. Niektórzy wynalazcy i innowatorzy wpadli nawet na pomysł przyklejenia kawałków papieru ściernego do podeszew butów zimowych i botków, aby zwiększyć siłę tarcia.

To samo dzieje się z kołami samochodowymi. Nie jest tajemnicą, że wraz z nadejściem zimy kierowcy „podkuwają” swoje żelazne konie w specjalne „opony zimowe”. W przeciwnym razie, bez użytecznej siły tarcia, samochód wpada w poślizg podczas skręcania, wpada w poślizg i często kierowca ma słabą kontrolę. A jak kończą się wypadki, każdy wie sam.

Wszyscy mówimy o zimie, o lodzie i spadaniu. Czy są inne momenty w życiu codziennym, w których wyraźnie widać, jak szkody i korzyści wynikające z tarcia konkurują ze sobą? Oczywiście, że tak! Są wszędzie. Nawet w naszym pokoju z tobą.

Tutaj na przykład jest ogromna i ciężka szafa. Stoi jak wryty w miejscu i się nie rusza. A jeśli siła tarcia nagle zniknie, co może się wtedy wydarzyć? A ta ogromna rzecz poruszałaby się po pokoju przy najmniejszym pchnięciu! Czas pokaże, czy uda nam się tego uniknąć na czas. Dobra siła tarcia, przydatna!

Ale mama postanowiła przestawić meble. I musisz przenieść tę osławioną szafę na inną ścianę. Raz, dwa, bierz! Trzy - cztery, zaciśnij się! Tylko wszystko okazuje się bezużyteczne: im cięższy przedmiot, tym silniejsza jest siła tarcia. Straszna, paskudna siła!

Znowu konkurują ze sobą - szkoda i korzyść z tarcia. Nie ma potrzeby jakiejkolwiek rywalizacji! Wystarczy dobrze znać prawa fizyczne i umieć wyciągnąć z tej wiedzy praktyczne korzyści. W tej chwili nie jest potrzebne. Oznacza to, że należy go zmniejszyć: sprawić, aby stykające się powierzchnie były gładsze i śliskie. W tym celu niektórzy zalecają rozsmarowanie podłogi mydłem lub olejem, inni zaś umieszczają mokrą szmatę pod nogami ciężkiego przedmiotu. A teraz - jeden lub dwa - i gotowe! Dość łatwo przenieśli tego kolosa z miejsca.

Siła tarcia nieustannie towarzyszy nam przez całe życie, tak jak gdzieś stwarza ona dla nas niedogodności, a gdzieś nie możemy się bez niej obejść. Ale tak czy inaczej, istnieje, a naszym zadaniem jest nauczenie się korzystania z praw fizycznych, aby nasze życie stało się wygodniejsze i wygodniejsze.

W otaczającym nas świecie występuje wiele zjawisk fizycznych: grzmoty i błyskawice, deszcz i grad, prąd elektryczny, tarcie... Nasz dzisiejszy raport poświęcony jest tarciu. Dlaczego występuje tarcie, na co wpływa, od czego zależy siła tarcia? I wreszcie, czy tarcie jest przyjacielem czy wrogiem?

Co to jest siła tarcia?

Po krótkim rozbiegu możesz biec po oblodzonej ścieżce. Ale spróbuj to zrobić na zwykłym asfalcie. Jednak nie warto próbować. Nic nie wyjdzie. Winowajcą Twojej awarii będzie bardzo duża siła tarcia. Z tego samego powodu trudno jest przenieść masywny stół lub, powiedzmy, fortepian.

W miejscu styku dwóch ciał zawsze zachodzi interakcja, co uniemożliwia ruch jednego ciała na powierzchni drugiego. Nazywa się to tarciem. A wielkością tej interakcji jest siła tarcia.

Rodzaje sił tarcia

Wyobraźmy sobie, że musisz przenieść ciężką szafkę. Twoje siły najwyraźniej nie są wystarczające. Zwiększmy siłę „ścinającą”. Jednocześnie wzrasta siła tarcia pokój. I jest skierowany w kierunku przeciwnym do ruchu szafki. Wreszcie siła „ścinająca” „wygrywa” i szafka odsuwa się. Teraz siła tarcia zaczyna działać poślizg. Jest ona jednak mniejsza niż siła tarcia statycznego i znacznie łatwiej jest przesunąć szafkę dalej.

Oczywiście musiałeś widzieć, jak 2-3 osoby toczą ciężki samochód z nagle zgaszonym silnikiem. Osoby pchające samochód nie są siłaczami, siła tarcia działa po prostu na koła samochodu walcowanie. Ten rodzaj tarcia występuje, gdy jedno ciało toczy się po powierzchni drugiego. Piłka, okrągły lub fasetowany ołówek, koła pociągu itp. mogą się toczyć. Ten rodzaj tarcia jest znacznie mniejszy niż siła tarcia ślizgowego. Dlatego bardzo łatwo jest przenosić ciężkie meble, jeśli są wyposażone w koła.

Ale w tym przypadku siła tarcia jest skierowana przeciwko ruchowi ciała, dlatego zmniejsza prędkość ciała. Gdyby nie jego „szkodliwość” przy przyspieszaniu na rowerze czy rolkach, można by cieszyć się jazdą w nieskończoność. Z tego samego powodu samochód z wyłączonym silnikiem będzie przez pewien czas poruszał się na zasadzie bezwładności, a następnie się zatrzyma.

Pamiętaj więc, że istnieją 3 rodzaje sił tarcia:

tarcie ślizgowe;
tarcie toczne;
tarcie statyczne.

Szybkość zmiany prędkości nazywa się przyspieszeniem. Ponieważ jednak siła tarcia spowalnia ruch, przyspieszenie to będzie miało znak minus. Słusznie byłoby powiedzieć Pod wpływem tarcia ciało porusza się z opóźnieniem.

Jaka jest natura tarcia

Jeśli przyjrzysz się gładkiej powierzchni wypolerowanego stołu lub lodu przez szkło powiększające, zobaczysz drobne nierówności, do których przylega ciało ślizgające się lub toczące po jego powierzchni. Przecież ciało poruszające się po tych powierzchniach również ma podobne występy.

W punktach styku cząsteczki zbliżają się tak blisko, że zaczynają się przyciągać. Ale ciało nadal się porusza, atomy oddalają się od siebie, wiązania między nimi pękają. Powoduje to, że atomy uwolnione od przyciągania wibrują. W przybliżeniu sposób, w jaki oscyluje sprężyna uwolniona od napięcia. Te wibracje cząsteczek postrzegamy jako ogrzewanie. Dlatego tarciu zawsze towarzyszy wzrost temperatury stykających się powierzchni.

Oznacza to, że istnieją dwie przyczyny powodujące to zjawisko:

nierówności na powierzchni stykających się ciał;
siły przyciągania międzycząsteczkowego.

Od czego zależy siła tarcia?

Prawdopodobnie zauważyłeś nagłe hamowanie sań, gdy zsuwają się one na piaszczysty teren. I jeszcze jedno ciekawe spostrzeżenie: gdy na sankach będzie jedna osoba, zjedzie ona w jedną stronę w dół górki. A jeśli dwóch przyjaciół zsunie się razem, sanki zatrzymają się szybciej. Zatem siła tarcia wynosi:

zależy od materiału stykających się powierzchni;
ponadto tarcie wzrasta wraz ze wzrostem masy ciała;
działa w kierunku przeciwnym do ruchu.

Wspaniała nauka fizyki jest również dobra, ponieważ wiele zależności można wyrazić nie tylko słowami, ale także w formie specjalnych znaków (wzórów). Dla siły tarcia wygląda to następująco:

Ftr = kN Gdzie:

Ftr - siła tarcia.

k - współczynnik tarcia, który odzwierciedla zależność siły tarcia od materiału i czystości jego obróbki. Załóżmy, że metal toczy się po metalu k=0,18, jeśli jeździsz na łyżwach po lodzie k=0,02 (współczynnik tarcia jest zawsze mniejszy od jedności);

N jest siłą działającą na podporę. Jeśli ciało leży na poziomej powierzchni, siła ta jest równa ciężarowi ciała. W przypadku płaszczyzny pochyłej jest to mniejszy ciężar i zależy od kąta nachylenia. Im bardziej stroma zjeżdżalnia, tym łatwiej jest zjechać i tym dłużej można jeździć.

A obliczając siłę tarcia statycznego szafki za pomocą tego wzoru, dowiemy się, jaką siłę należy przyłożyć, aby przenieść ją z miejsca.

Praca siły tarcia

Jeśli na ciało działa siła, pod wpływem której ciało się porusza, to praca jest zawsze wykonywana. Praca siły tarcia ma swoją charakterystykę: w końcu nie powoduje ruchu, ale mu zapobiega. Dlatego praca, którą wykonuje, jest zawsze będzie ujemna, tj. ze znakiem minus, niezależnie od tego, w którą stronę porusza się ciało.

Tarcie jest przyjacielem lub wrogiem

Siły tarcia towarzyszą nam wszędzie, przynosząc wymierne szkody i... ogromne korzyści. Wyobraźmy sobie, że tarcie zniknęło. Zdumiony obserwator widziałby, jak upadają góry, drzewa same wyrywają się z ziemi, huraganowe wiatry i fale morskie bez końca dominują nad ziemią. Wszystkie ciała gdzieś się zsuwają, transport rozpada się na osobne części, bo rygle bez tarcia nie spełniają swojej roli, niewidzialny potwór rozwiązałby wszystkie sznurowadła i węzły, meble nie trzymane siłami tarcia mają wsunął się w najniższy kąt pokoju.

Spróbujmy uciec, uciec od tego chaosu, ale bez tarć Nie będziemy w stanie zrobić ani jednego kroku. W końcu to tarcie pomaga nam odbić się od podłoża podczas chodzenia. Teraz jasne jest, dlaczego zimą śliskie drogi są zasypywane piaskiem...

Jednocześnie czasami tarcie powoduje znaczne szkody. Ludzie nauczyli się zmniejszać i zwiększać tarcie, czerpiąc z tego ogromne korzyści. Na przykład wynaleziono koła do ciągnięcia ciężkich ładunków, zastępując tarcie ślizgowe toczeniem, które jest znacznie mniejsze niż tarcie ślizgowe.

Ponieważ toczące się ciało nie musi łapać wielu małych nierówności powierzchni, jak wtedy, gdy ciała się ślizgają. Następnie koła zostały wyposażone w opony z głębokim wzorem (bieżnikiem).

Czy zauważyłeś, że wszystkie opony są gumowe i czarne?

Okazuje się, że guma dobrze trzyma koła na drodze, a dodany do gumy węgiel nadaje jej czarny kolor, niezbędną sztywność i wytrzymałość. Dodatkowo w razie wypadku na drodze pozwala zmierzyć drogę hamowania. Przecież podczas hamowania opony zostawiają wyraźny czarny ślad.

W razie potrzeby zmniejszyć tarcie, zastosować oleje smarowe i suchy smar grafitowy. Niezwykłym wynalazkiem było stworzenie różnych typów łożysk kulkowych. Są stosowane w szerokiej gamie mechanizmów, od rowerów po najnowsze samoloty.

Czy w cieczach występuje tarcie?

Kiedy ciało stoi w wodzie, tarcie z wodą nie występuje. Ale gdy tylko zacznie się poruszać, pojawia się tarcie, tj. Woda stawia opór ruchowi wszelkich znajdujących się w niej ciał.

Oznacza to, że brzeg, tworząc tarcie, „spowalnia” wodę. A ponieważ tarcie wody o brzeg zmniejsza jej prędkość, nie należy wpływać na środek rzeki, ponieważ nurt jest tam znacznie silniejszy. Ryby i zwierzęta morskie są ukształtowane w taki sposób, aby tarcie ich ciał o wodę było minimalne.

Projektanci zapewniają to samo usprawnienie okrętom podwodnym.

Nasza znajomość innych zjawisk naturalnych będzie kontynuowana. Do zobaczenia ponownie, przyjaciele!

Jeżeli ta wiadomość była dla Ciebie przydatna, będzie mi miło Cię poznać

Nauka

Europejscy naukowcy przedstawili nowoczesne wyjaśnienie pochodzenia tarcia ślizgowego pomiędzy obiektami stałymi. Pomimo tego, że tarcie jest jednym z podstawowych zjawisk współczesnej fizyki stosowanej, Zjawisko to nie przestaje być badane przez wiele stuleci.. Do chwili obecnej uważano, że do głównych czynników wpływających na tarcie zalicza się odporność na zużycie mechaniczne oraz obecność (lub brak) smarowania płynnego, jednak podstawowe przyczyny tarcia ślizgowego nie zostały poznane.

Dr Lacey Makkonen, starszy pracownik naukowy w Centrum Badań Technicznych w Finlandii, przedstawił własne wyjaśnienie pochodzenia tarcia ślizgowego pomiędzy obiektami stałymi. Jego teoria w pełni potwierdza ten faktże wielkość tarcia zależy również od tzw. energii powierzchniowej danych materiałów. Ponadto tarcie ma istotny wpływ na wiele zjawisk, z którymi spotykamy się za każdym razem (takich jak np. pochłanianie energii).

Nowy model termodynamiczny Makkonena jest pierwszym tego rodzaju, który pozwala ilościowo określić współczynnik tarcia materiałów, biorąc pod uwagę energię powierzchniową materiałów. Model rzeczywiście to pokazuje tarcie występuje, gdy materiały stykają się na poziomie nanoskali, wynikające z powstania nowych wiązań na poziomie atomowym. Teoria ta uzupełnia wyjaśnienie pochodzenia siły tarcia i występowania nagrzewania tarcia podczas tarcia suchego. Można go również wykorzystać do dokładniejszego obliczenia współczynników tarcia kombinacji różnych materiałów.

Skonstruowany model pozwala także na dokładniejsze sterowanie procesami tarcia poprzez dobór konkretnej powierzchni materiałów lub poprzez zastosowanie warstw smarujących, biorąc pod uwagę obecność energii powierzchniowej pomiędzy nimi. Warto zauważyć, że teoria ta potwierdza opinie wielu fizyków, że w znanych tablicach z przedstawionymi w nich współczynnikami tarcia dla różnych materiałów (zwłaszcza jednorodnych) występują zauważalne niedokładności.