СИЛА ТРЕНИЯ - 9 класс

Интеграция предметов: физика — биология.

Ход урока

Учитель физики. Вам уже известно, что трение в земных условиях всегда сопутствует любому движению.

Напомню, что сила трения возникает при непосредственном соприкосновении тел и всегда направлена вдоль поверхности соприкосновения.

Приведите примеры проявления силы трения.

Ученик 1. Человек, разбежавшись на коньках, скользит по льду, но все-таки останавливается под действием силы трения между коньками и льдом.

Ученик 2. Когда велосипедист перестанет вращать педали, то через некоторое время остановится, и машина с выключенным двигателем также остановится.

Учитель физики. Что же такое сила трения?

Ученик 3. Сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого, приложенная к движущемуся телу и направленная против движения, называется силой трения.

Учитель физики. Верно. Но в чем причина трения? Одной из причин возникновения силы трения является шероховатость поверхностей соприкасающихся тел. Когда одно тело скользит по поверхности другого, эти неровности зацепляются друг за друга. Вторая причина трения — взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел. Если поверхности тел очень хорошо отполированы, то при соприкосновении заметно начинает проявляться напряжение между молекулами соприкасающихся тел.

От трения тела могут нагреваться. Как уменьшить трение?

Ученик 4. Надо ввести между трущимися поверхностями смазку, так как трение слоев жидкости меньше, чем твердых тел.

Учитель физики. Трение бывает трех видов:

1) Сила трения покоя.

2) Сила трения скольжения.

3) Сила трения качения.

Рассмотрим все три вида сил.

Опыт I (на столе тяжелый брусок и динамометр)

На покоящийся брусок действует сила тяжести и сила реакции опоры (на доске — рис. 1). Эти силы друг друга компенсируют.

Рис. 1

Если подействовать на брусок силой F, и если эта сила недостаточно велика, тело остается в покое, так как на тело действует еще одна сила, равная по модулю F, но направленная в противоположную ей сторону. Это и есть сила трения покоя.

Приведите примеры проявления силы трения покоя.

Ученик 5. На наклонной ленте транспортера удерживается груз.

Ученик 6. Сила трения покоя удерживает гвоздь, вбитый в стену.

Ученик 7. Человек удерживает любой предмет в руке, благодаря силе трения покоя.

Учитель биологии. Ребята, вы это хорошо подметили. Необходимо значительное трение для хватательных органов. Интересна их форма (на плакате, рис. 2): это либо щипцы, захватывающие предмет с двух сторон (клешни у рака, кисти рук у человека, лапы у птиц), либо тяжи, огибающие его (хобот слона, тело змеи). В руке сочетается действие щипцов и полный охват: мягкая кожа ладони хорошо сцепляется с шероховатыми предметами, которые надо удержать.

У многих растений и животных имеются различные органы, служащие для хватания: усики растений (вьюн, виноград), цепкие хвосты лазающих животных (обезьяны). Все они имеют форму, удобную для навивания, и шероховатую поверхность для увеличения трения.

Рис. 2

Учитель физики. Ребята, значит сила трения покоя — это та сила, которая мешает нам сдвинуть с места тяжелый предмет — шкаф, стол, ящик и т. д., но она же помогает телу удержаться на месте, не соскользнуть под действием тяжести.

Но если сила, приложенная к телу, хотя бы немного превосходит максимальную силу трения покоя, тело получает ускорение и начинает скользить. Но теперь на уже движущееся тело действует сила трения. Ее называют силой трения скольжения. По модулю она почти равна максимальной силе трения покоя.

Направление силы трения скольжения противоположно направлению движения тела. Поэтому сила трения приводит к уменьшению скорости тела.

Учитель биологии. Значительное трение существенно для рабочих поверхностей органов движения. Необходимым условием перемещения является надежное «сцепление» между движущимся телом и опорой. Сцепление достигается либо заострениями на конечностях (когти, шипы), либо мелкими неровностями (щетинки, чешуйки, бугорки). Среди живых организмов распространены приспособления (щетина, чешуйки), благодаря которым трение получается малым при движении в одном направлении и большим — при движении в противоположном направлении. На этом принципе основано движение рыб в воде, или, например, дождевого червя. Щетинки, направленные назад, свободно пропускают тело червя вперед, но тормозят обратное движение. При удлинении тела червя главная часть передвигается вперед, а хвостовая остается на месте. При сокращении — головная часть задерживается, а хвостовая подтягивается к ней.

Учитель физики. Сила трения скольжения пропорциональна силе давления, а значит, и силе реакции опоры.

Опыт II

Поместим на брусок дополнительный груз, тем самым увеличиваем давление на стол, увеличивается и сила трения скольжения.

Fтp. = μN, где μ — коэффициент трения.

Обычно сила трения меньше силы давления N, поэтому μ < 1.

Если одно тело не скользит, а катится по поверхности другого, то трение, возникающее при этом, называют трением качения.

Приведите примеры проявления силы трения качения.

Ученик 8. При движении колес автомобиля, вагона, велосипеда появляется сила трения качения.

Ученик 9. Сила трения качения появляется, когда бревно или бочку катят по земле.

Учитель физики. Верно. Но какая сила меньше — сила трения скольжения или качения, при одинаковой тяжести груза.

Ученик 9. Бочку перекатывать легче, чем просто тянуть по земле. Поэтому сила трения качения меньше силы трения скольжения.

Учитель физики. Таким образом, при равных нагрузках

Именно поэтому люди еще в древности применяли катки для перетаскивания больших грузов, а позднее стали широко использовать колесо.

Сила трения качения зависит от радиуса колеса: чем больше радиус колеса, тем меньше трение, поэтому телеги, кареты делали с большими колесами, а самолеты с маленькими.

N — сила реакции опоры (сила давления); R — радиус колеса; f — коэффициент трения качения.

А теперь поговорим, от чего зависит коэффициент трения. Коэффициент трения характеризует не тело, на которое действует сила трения, а два тела, трущиеся друг о друга. Значение коэффициента трения зависит:

1) от того, из каких материалов сделаны оба тела;

2) как обработана их поверхность;

3) от относительной скорости тела.

Но коэффициент трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей, хотя об этом был спор, который длился без малого 100 лет (см. таблицу).

		Зависимость модуля силы трения скольжения от
Год	Имя ученого	площади соприкасающихся тел	материала	нагрузки	относительной скорости движения	степени шероховатости поверхности
1500	Леонардо да Винчи	Нет	Нет	Да	Нет	Да
1699	Амонтон	Нет	Нет	Да	Да	Нет
1748	Эйлер	Нет	Нет	Да	Да	Да
1779	Кулон	Да	Да	Да	Да	Да

Значения коэффициента трения М для некоторых пар материалов приведены в таблице учебника (обращает внимание). Приведенные в таблице коэффициенты трения относятся к несмазанным поверхностям. Смазка изменяет силу трения. Когда твердое тело движется, соприкасаясь с жидкостью или газом, тоже возникает сила, параллельная поверхности соприкосновения и направленная против движения. Эту силу иначе называют силой жидкого трения или силой сопротивления.

Сила жидкого трения меньше, чем сила сухого трения. Например, деревянный брусок легче привести в движение на поверхности воды, чем на поверхности стола. Именно поэтому смазка уменьшает силу трения между твердыми телами — трение перестает быть сухим.

В жидкости и газе нет силы трения покоя.

Сила жидкого трения (сила сопротивления) зависит не только от направления движения тела, но и от значения скорости. При небольших скоростях сила сопротивления пропорциональна скорости: а при больших скоростях она пропорциональна уже квадрату скорости:

β — коэффициент сопротивления, который зависит от формы тела. Форма тела, при которой сила сопротивления мала, называют обтекаемой формой. Самолетам, подводным лодкам, снарядам, пулям, движущимся с большими скоростями в воздухе или в воде, стараются придать обтекаемую форму. Это помогает уменьшить силу сопротивления.

Учитель биологии. Обтекаемую форму имеют и животные, обитающие в воде. Скорости многих рыб достигают десятков километров в час, например, скорость голубой акулы около 36 км/ч. Такую скорость рыба может развивать благодаря обтекаемой форме тела, конфигурации головы, обусловливающей малое лобовое сопротивление. Дельфины могут двигаться в воде без особых усилий и с большой скоростью. Кожа дельфина состоит из двух слоев — внешнего, чрезвычайно эластичного, толщиной 1,5 мм, и внутреннего, плотного, толщиной 4 мм. Между этими слоями имеются выросты или шипы. Ниже расположены густо сплетенные волокна, пространство между которыми в несколько сантиметров заполнено жиром. Кроме того, на коже дельфина постоянно имеется тонкий слой специальной «смазки», вырабатываемой особыми железами. Благодаря этому уменьшается сила трения о воду.

Учитель физики. Добавлю, что скорость дельфина вблизи носа корабля около 60 км/ч, а свободно плавающего около 40 км/ч.

Тем более что вокруг движущегося дельфина возникает лишь незначительное струйное (ламинарное) движение, не переходящее в вихревое (турбулентное). Секрет «антитурбулентности» дельфина скрыт в его коже, о которой говорила учитель биологии.

Когда в 1960 г. изготовили искусственную «дельфинью кожу» и обшили торпеду такой «кожей», то сопротивление уменьшилось на 60%.

Учитель биологии. Мелкие морские рыбки ходят стайками, похожими по форме на каплю, при этом сопротивление воды движению стайки наименьшее.

Учитель физики. Сегодня мы познакомились еще с одной силой природы, весьма важной — силой трения. Эта сила важна потому, что не будь ее, предметы выскальзывали бы из рук. Без силы трения человек не мог бы двигаться. Сила трения останавливает автомобили, но без трения они не могли бы начать движение.

Но трение как полезно, так и вредно. Иногда мы его увеличиваем, чтобы не было проскальзывания, а иногда уменьшаем, чтобы не было сильного нагревания из-за действия этой силы.

Закрепление

1. Какое значение имеют упругие волосы на подушечках лап зайца?

2. Почему трудно удержать в руках живую рыбу?

3. Почему некоторые рыбы при быстром движении прижимают к себе плавники?

4. Для чего на уроке физкультуры при выполнении некоторых упражнений на снарядах ладони натирают магнезией?

5. Что играет роль смазки при проглатывании пищи? (Слюна.)