Уроки 7–8. Всё о силе трения
С трением мы сталкиваемся на каждом шагу, но без трения мы не сделали бы и шага. Невозможно представить себе мир без сил трения. В отсутствие трения многие кратковременные движения продолжались бы бесконечно. Земля сотрясалась бы от непрерывных землетрясений, т.к. тектонические плиты постоянно сталкивались бы между собой. Все ледники сразу же скатились бы с гор, а по поверхности Земли носилась бы пыль от прошлогоднего ветра. Как хорошо, что всё-таки есть на свете сила трения! С другой стороны, трение между деталями машин приводит к их износу и дополнительным расходам. Приблизительные оценки показывают, что научные исследования в трибологии – науки о трении – могли бы сберечь от 2 до 10% национального валового продукта.
Классический закон трения. Два самых главных изобретения человека – колесо и добывание огня – связаны с силой трения. Изобретение колеса позволило значительно уменьшить силу, препятствующую движению, а добывание огня поставило силу трения на службу человеку. Однако до сих пор учёные далеки от полного понимания физических основ силы трения. И вовсе не оттого, что людей с некоторых пор перестало интересовать это явление. Первая формулировка законов трения принадлежит великому Леонардо (1519 г.), который утверждал, что сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна силе прижатия, направлена против направления движения и не зависит от площади контакта. Этот закон был заново открыт через 180 лет Г.Амонтоном, а затем уточнён в работах Ш.Кулона (1781 г.). Амонтон и Кулон ввели понятие коэффициента трения как отношения силы трения к нагрузке, придав ему значение физической константы, полностью определяющей силу трения для любой пары контактирующих материалов. До сих пор именно эта формула:
где Fтр – сила трения, N – составляющая силы прижатия, нормальная к поверхности контакта, а – коэффициент трения, – является единственной формулой, которую можно найти в учебниках по физике.
В течение двух столетий экспериментально доказанный закон (1) никто не смог опровергнуть и до сих пор он звучит так, как и 200 лет назад:
1. Сила трения прямо пропорциональна нормальной составляющей силы, сжимающей поверхности скользящих тел, и всегда действует в направлении, противоположном направлению движения.
2. Сила трения не зависит от величины поверхности соприкосновения.
3. Сила трения не зависит от скорости скольжения.
4. Сила трения покоя всегда больше силы трения скольжения.
5. Сила трения зависит только от свойств двух материалов, которые скользят друг по другу.
Потираем руки и проверяем основной закон трения. Сила трения – одна из диссипативных сил. Другими словами, вся работа, расходуемая на её преодоление, переходит в тепло. Значения m, приводимые в инженерных справочниках, позволяют оценивать этот нагрев в проектируемых приборах и устройствах (см. таблицу). Ну а мы попробуем найти количество выделяющейся тепловой энергии, когда, разогреваясь, потираем руки или разогреваем с их помощью охлаждённые участки тела.
Пусть мы сжимаем ладони с силой 0,5 Н, и для трения кожи о кожу составляет 0,5. Тогда сила трения, которую мы преодолеваем при скольжении одной ладони по поверхности другой, будет равна 0,25 Н. Если считать, что, разогреваясь, мы за одну секунду совершаем четыре движения ладони, и каждое из них по 0,1 м, то мощность, расходуемая на преодоление силы трения, составляет 0,1 Вт. За 10 с такого разогрева в области контакта ладоней выделится 1 Дж тепловой энергии. Пусть всё тепло идёт на разогрев участка поверхности кожи площадью 0,01 м 2 и толщиной 0,001 м, который имеет массу около 10 –5 кг и удельную теплоёмкость, близкую к теплоёмкости воды (4 кДж/(кг. °С). Значит, наш разогрев приведёт к нагреву этого участка на 25 °С. Видно, что оценка нагрева получилась явно завышенной. Большая часть тепла от разогрева, конечно, уходит в ткани, расположенные под кожей и разносится по телу с кровотоком, но и оставшейся части тепловой энергии оказывается достаточно, чтобы поднять температуру кожи на несколько градусов.
Тормозной путь. Две машины столкнулись на перекрёстке. Повреждения небольшие, т.к. каждый успел почти полностью затормозить перед аварией. Поэтому и виноватым себя считать никто не хочет. Приехавший инспектор решил, что виноват тот, у кого длина тормозного пути – чёрного следа от колёс – больше. Почему?
Пусть машина выезжала на перекрёсток
со скоростью , и
её водитель, увидев другую машину, стал
тормозить, оставив на дороге след длиной L. Если
считать, что к моменту столкновения вся
кинетическая энергия автомобиля перешла в
работу по преодолению силы трения (в тепло), то 
где m – масса
автомобиля, а g – ускорение свободного падения.
Откуда следует, что длина тормозного пути
пропорциональна квадрату скорости автомобиля.
Значит, тот, кто подъезжал к перекрёстку с
большей скоростью, имеет и большую длину
тормозного пути. Так, например, для = 0,7 длина тормозного пути
30 м соответствует скорости движения 73 км/ч, что на
13 км/ч больше разрешённой скорости движения по
улицам города.
А почему все шины чёрные? Все изготовители шин используют один и тот же процесс – вулканизацию жидкой резины, при котором одной из добавок служит угольная пудра. В результате длинные молекулы жидкой резины сшиваются между собой, что превращает её в эластичный и прочный материал. Так как частички угля чёрные и их относительно много (около 25% по весу), то и резина становится чёрной. Чем больше добавлять угольной пудры, состоящей практически из одного углерода, тем более жёсткой, прочной и менее прилипчивой будет резина.
Как нажимать на газ и тормоз, чтобы быстрее разогнаться и остановиться? Некоторые водители, увидев, что на светофоре зажёгся зелёный свет, вдавливают педаль газа до самого пола, пытаясь как можно быстрее набрать максимальную скорость. Свидетели такого старта слышат свист проскальзывающих относительно дороги шин. Со стороны это выглядит, действительно, очень впечатляюще. Но как на самом деле? Неужели, для того чтобы машина приобрела наибольшее ускорение, надо заставлять колёса скользить по дорожному покрытию? Конечно, нет.
Известно, что движущей силой автомобиля служит сила трения его колёс о дорожное покрытие. Если резко нажать на педаль газа, вызвав проскальзывание шин относительно асфальта, то максимальное ускорение будет пропорционально силе трения скольжения, которая всегда меньше максимальной силы трения покоя. Поэтому быстрее ускоряются не те, кто сжигает резину покрышек, а те, кто использует силу трения покоя (т.е. не допускает скольжения) в том диапазоне, где она превышает силу трения скольжения.
Резкое торможение, как и ускорение, может привести к скольжению колёс по дорожному покрытию, а значит, к уменьшению силы, тормозящей автомобиль. Ведь тормозящей силой является тоже сила трения. Поэтому, нажав очень резко на педаль газа и допустив проскальзывание, мы увеличиваем тормозной путь. Чтобы минимизировать тормозной путь, в современных автомобилях устанавливают систему ABS (Antilock Brake System), которая, препятствуя скольжению колёс по дорожному покрытию, трансформирует резкое нажатие на тормоз в последовательность нескольких торможений. Эффективность ABS-торможения особенно высока на мокрых дорогах, когда максимальная сила трения покоя может в несколько раз превышать силу трения скольжения.
Зависимость силы трения, действующей на тело, от силы, которая может привести или приводит к движению тела для сухого и мокрого дорожного покрытия
Для чего нужен рисунок на шинах автомобиля? Если машина въезжает в лужу, а вода не успевает выскочить из-под колеса, то сцепление с дорогой теряется, и колесо может вращаться вокруг оси, не испытывая трения. В этом случае машина теряет движущую силу и становится неуправляемой. Вот почему на покрышках автомобильных шин находятся канавки, помогающие воде выбираться из-под колеса, что помогает резине шин даже в лужах быстро находить контакт с покрытием дороги. Зимой большинство водителей «обувают» свои машины в зимнюю резину. Если ездить на летних покрышках зимой, то узкие канавки быстро забьются снегом, а он, превратившись в лёд, сделает из автомобиля прекрасное средство для неуправляемого скольжения по дорогам. Поэтому покрышки, приспособленные для езды по заснеженным и обледенелым дорогам, имеют широкие канавки и гораздо большую поверхность контакта с дорожным покрытием. Ну а если предстоит ехать по бездорожью, то покрышки должны быть глубоко рифлёными, т.к. грязь, имеющая большую вязкость, просто не пролезет через канавки, когда будет двигаться под весом наезжающего колеса.
Покрышки автомобильных шин, предназначенные для летних (слева),
зимних (в середине) дорог и бездорожья (справа)
Гонки «Формулы-1» – война шин. Каждый пилот гоночного болида хочет иметь хорошее сцепление с дорогой, чтобы обеспечить быстрый старт. Но это значит, что шины его автомобиля должны хорошо прилипать к дорожному покрытию. Ведь только тогда максимальная сила трения покоя будет велика. Но такая прилипчивая шина всегда будет оставлять на дороге след из частичек, прилипших навсегда к дорожному покрытию. Другими словами, износ шин с высоким сцеплением тоже высок. Поэтому на гонках «Формулы-1» средний ресурс шины около 200 км, в то время как у обычных шин он может составлять несколько десятков тысяч километров.
Шины гоночных болидов «Формулы-1» очень широкие и совсем «лысые»
Известно, что автомобильные гонки проходят на лысой резине или шинах с несколькими очень неглубокими канавками. Канавки в шинах гоночных машин не нужны, т.к. они увеличивают сцепление с дорогой только тогда, когда она мокрая. А при мокрой дороге гонки отменяют.
Для производства шин гоночных автомобилей используется специальная липкая резина. Поэтому сила трения этих шин на сухой дороге растёт с увеличением площади контакта, таким образом вступая в противоречие с классическим законом, справедливым для трения твёрдых и неэластичных поверхностей. Чтобы обеспечить максимальную силу трения, шины колёс гоночных автомобилей делают очень широкими (до 0,38 м), что также позволяет лучше рассеивать тепло, образующееся при трении о дорожное покрытие.
Чистая резина прилипает к дороге лучше, чем грязная. Поэтому перед самым стартом покрышки с помощью специальных устройств и процедур нагревают до 80°С, очищая их поверхность, обеспечивая хорошее прилипание к дорожному покрытию. Кстати, шины гоночных автомобилей иногда надувают азотом, т.к. влага, содержащаяся в обычном воздухе, при нагревании шин испаряется и увеличивает давление в колёсах, что создаёт дополнительные трудности в управлении.
О чём поют колёса? Шум, издаваемый колёсами автомобилей, – одна из основных проблем больших городов. Огромные средства тратятся ежегодно на борьбу с этим шумом, т.к. стоимость одного километра звукопоглощающего барьера, устанавливаемого вдоль шоссе, близка к миллиону долларов. Есть несколько теорий возникновения этого шума. В одной из них считается, что он возникает из-за колебаний деформированных участков внешней части покрышки, после того как они распрямляются. Другая связывает появление шума с отлипанием резины от дороги. Ну а самая романтичная гипотеза объясняет шум тем, что причиной всему воздух, двигающийся по канавкам автомобильных покрышек, как по трубам органа, и поэтому поющий.
Классики не всегда правы. Уже в XIX в. стало ясно, что закон Амонтона–Кулона не даёт правильного описания силы трения, а коэффициенты трения отнюдь не являются универсальными характеристиками. Прежде всего было отмечено, что коэффициенты трения зависят не только от того, какие материалы контактируют, но и от того, насколько гладко обработаны контактирующие поверхности. Выяснилось, например, что сила трения в вакууме всегда больше, чем при нормальных условиях.
Как отмечает лауреат Нобелевской премии по физике (1965) Р.Фейнман в своих лекциях, «…таблицы, в которых перечислены коэффициенты трения “стали по стали, меди по меди” и прочее, всё это сплошное надувательство, ибо в них этими мелочами пренебрегают, а ведь они-то и определяют значение . Трение “меди о медь” и т.д. – это на самом деле трение “о загрязнения, приставшие к меди”».
Можно, конечно, пойти по другому пути и, изучая трение «меди по меди», измерять силы при движении идеально отполированных и дегазированных поверхностей в вакууме. Но тогда два таких куска меди просто слипнутся, и коэффициент трения покоя начнёт расти со временем, прошедшим с начала контакта поверхностей. По тем же причинам коэффициент трения скольжения будет зависеть от скорости (расти с её уменьшением). Значит, точно определить силу трения для чистых металлов тоже невозможно.
Тем не менее для сухих стандартных поверхностей классический закон трения почти точен, хотя причина такого вида закона до самого последнего времени оставалась непонятной. Ведь теоретически оценить коэффициент трения между двумя поверхностями никто так и не смог.
Как атомы трутся друг о друга? – спрашиваем у учёных. Сложность изучения трения заключается в том, что место, где этот процесс происходит, скрыт от исследователя со всех сторон. Несмотря на это, учёные уже давно пришли к заключению, что сила трения связана с тем, что на микроскопическом уровне (т.е. если посмотреть в микроскоп) соприкасающиеся поверхности очень шероховатые, даже если они отполированы. Поэтому скольжение двух поверхностей друг по другу может напоминать фантастический случай, когда перевёрнутые Кавказские горы трутся, например, о Гималаи.
Прежде думали, что механизм трения
несложен: поверхность покрыта неровностями, и
трение есть результат следующих друг за другом
циклов «подъём–спуск» скользящих частей. Но это
неправильно, ведь тогда не было бы потерь
энергии, а при трении расходуется энергия.
Поэтому более правильной можно считать
следующую модель трения. При скольжении трущихся
поверхностей микронеровности задевают друг за
друга, и в точках соприкосновения противостоящие
друг другу атомы сцепляются. При дальнейшем
относительном движении тел эти сцепки рвутся, и
возникают колебания атомов, подобные тем, какие
происходят при отпускании растянутой пружины. Со
временем эти колебания затухают, а их энергия
превращается в тепло, растекающееся по обоим
телам. В случае скольжения мягких тел возможно
также разрушение микронеровностей, так
называемое «пропахивание», в этом случае
механическая энергия расходуется на разрушение
атомарных связей.
Таким образом, если мы хотим изучать трение, нам надо ухитриться двигать песчинку, состоящую из несколько атомов, вдоль поверхности на очень маленьком расстоянии от неё, измеряя при этом силы, действующие на эту песчинку со стороны поверхности. Это стало возможным после изобретения атомно-силового микроскопа (АСМ) Г.Биннингом и Г.Рорером, которым в 1986 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. Создание такого микроскопа, способного чувствовать силы притяжения и отталкивания между отдельными атомами, дало возможность наконец «пощупать», что такое силы трения, открыв новую область науки о трении – нанотрибологию.
Основой АСМ служит микрозонд, обычно
сделанный из кремния и представляющий собой
тонкую пластинку-консоль (её называют
кантилевером, от англ. cantilever – консоль, балка). На
конце кантилевера (длина 500 мкм, ширина 50 мкм,
толщина 1 мкм) делается очень острый шип (высота 10
мкм, радиус закругления 1–10 нм), оканчивающийся
группой из одного или нескольких атомов. При
перемещении микрозонда вдоль поверхности
образца остриё шипа приподнимается и опускается,
очерчивая микрорельеф поверхности, подобно
скользящей по грампластинке игле. На выступающем
конце кантилевера (над шипом) расположена
зеркальная площадка, на которую падает и от
которой отражается луч лазера. Когда шип
опускается и поднимается на неровностях
поверхности, отражённый луч отклоняется, и это
отклонение регистрируется фотодетектором.
Данные фотодетектора используются в системе
обратной связи, которая может обеспечивать либо
постоянное удаление шипа от поверхности образца,
либо постоянную силу давления острия на образец.
В первом случае пьезоэлектрический преобразователь может регистрировать движение кантилевера, прыгающего от одного атома исследуемой поверхности к другому, строя таким образом объёмный рельеф поверхности образца в режиме реального времени. Разрешающая способность таких микроскопов составляет примерно 0,1–1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали. Смещая зонд по горизонтали, можно получить серию рельефов и с помощью компьютера построить трёхмерное изображение.
С помощью АСМ с начала 1990-х гг. проводятся систематические исследования силы трения микрозондов при их скольжения вдоль различных поверхностей и зависимости этих сил от силы прижатия. Оказалось, что для обычно используемых зондов, сделанных из кремния, микроскопическая сила трения скольжения составляет около 60–80% от прижимающей силы, которая составляет не более 10 нН. Как и следовало ожидать, сила трения скольжения растёт с размером микрозонда, т.к. количество атомов, одновременно его притягивающих, увеличивается. Таким образом, сила трения скольжения микрозонда зависит от площади его контакта с поверхностью, что противоречит классическому закону трения. Оказалось также, что сила трения скольжения не становится нулевой при отсутствии силы, прижимающей микрозонд к поверхности. Да это и понятно, т.к. окружающие микрозонд атомы поверхности так близко к нему расположены, что притягивают его даже в отсутствие внешней силы сжатия. Поэтому и основное предположение классического закона – о прямой пропорциональной зависимости силы трения от силы сжатия – тоже не соблюдается в нанотрибологии.
Однако все эти расхождения между основным законом и данными нанотрибологии, полученными с помощью АСМ, легко устраняются. При увеличении силы, прижимающей скользящее тело, увеличивается количество микроконтактов, а значит, увеличивается и суммарная сила трения скольжения. Поэтому никаких противоречий между только что полученными данными и старым законом нет.
Зависимость силы трения скольжения микрозонда от внешней силы N, прижимающей его к графитовой поверхности. Радиус кривизны зонда 17 нм (вверху) и 58 нм (внизу). При малых N зависимость нелинейная, а при больших приближается к линейной (пунктир). Данные взяты из статьи Х.Холшера и А.Шварца (2002)
Долгое время было принято считать, что, принуждая одно тело скользить по другому, мы ломаем малые неоднородности одного тела, которые цепляются за неоднородности поверхности другого, и для того, чтобы ломать эти неоднородности, и нужна сила трения. Поэтому старые представления часто связывают силу возникновение силы трения с повреждением микровыступов трущихся поверхностей, их так называемым износом. Нанотрибологические исследования с помощью АСМ и других современных методик показали, что сила трения между поверхностями может существовать даже тогда, когда они не повреждаются. Причиной такой силы трения служат постоянно возникающие и рвущиеся адгезионные связи между трущимися атомами.
Почему лёд скользкий? Узнать, почему можно скользить по льду, удалось учёным только сейчас. А началось всё давным-давно, в 1849 г. Братья Джеймс и Вильям Томсоны (последнему впоследствии за большие заслуги было присвоен титул лорда Кельвина) выдвинули гипотезу, согласно которой лёд под нами плавится оттого, что мы на него давим. И поэтому мы скользим уже не по льду, а по образовавшейся плёнке воды на его поверхности.
Действительно, если увеличить давление, то температура плавления льда понизится. Происходит это вот почему. Известно, что плотность льда меньше плотности воды, и поэтому, когда лёд сжимают, он, «пытаясь» уменьшить деформацию, вызванную ростом давления, «понижает» температуру плавления. Это одно из проявления так называемого принципа Ле Шателье: внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия. Расчёты и эксперименты показали, что для того, чтобы понизить температуру плавления льда на один градус, необходимо давление увеличить до 121 атм (1,22 МПа). Попробуем посчитать, какое давление оказывает спортсмен на лёд, когда скользит по нему на одном коньке длиной 20 см и толщиной 0,3 см. Если считать, что масса спортсмена 75 кг, то его давление на лёд составит около 12 атм. Таким образом, стоя на коньках, мы едва ли сможем понизить температуру плавления льда больше, чем на 1 °С. Значит, объяснить скольжение по льду в коньках и тем более в обычной обуви, опираясь на принцип Ле Шателье, невозможно, если за окном, например, –10 °С.
В 1939 г., когда стало ясно, что понижением температуры плавления скользкость льда не объяснить, Ф.Бауден и Т.Хьюз предположили, что тепло, необходимое для плавления льда под коньком, даёт сила трения. Однако эта теория не могла объяснить, почему так тяжело бывает даже стоять на льду, не двигаясь. С начала 1950-х гг. учёные стали считать, что лёд скользкий из-за тонкой плёнки воды, образующейся на его поверхности в силу каких-то неизвестных причин. Только в конце 1990-х гг. изучение того, как рассеивает лёд рентгеновские лучи, действительно показало, что его поверхность не является упорядоченной кристаллической структурой, а скорее похожа на жидкость.
Учёные объяснили это тем, что расположенные на поверхности льда молекулы воды находятся в особых условиях. Силы, заставляющие их находиться в узлах гексагональной решётки, действуют на них только снизу. Поэтому поверхностным молекулам ничего не стоит «уклониться от советов» молекул, находящихся в решётке, и если это происходит, то к такому же решению приходят сразу несколько поверхностных слоёв молекул воды. В результате на поверхности льда образуется плёнка жидкости, служащая хорошей смазкой при скольжении.
Кстати, тонкие плёнки жидкости образуются не только на поверхности льда, но и многих других кристаллов. Толщина жидкой плёнки увеличивается с ростом температуры, т.к. более высокая тепловая энергия молекул вырывает из гексагональных решёток больше поверхностных слоёв. Наличие примесей (молекул, отличных от воды) тоже мешает поверхностным слоям образовывать кристаллические решётки. Поэтому увеличить толщину жидкой плёнки можно, растворив в ней какие-либо примеси, например, обычную соль. Этим и пользуются коммунальные службы, когда борются зимой с обледенением дорог и тротуаров.
Схематическое изображение поперечного среза льда. Беспорядочное расположение молекул воды на поверхности соответствует плёнке жидкости, а гексагональная структура в толще – кристаллическому льду. Серые кружки – атомы кислорода, белые – водорода
Трение качения – это совсем другое. В идеальном случае, когда колесо, сделанное из несжимаемого материала, по инерции катится по гладкой недеформируемой поверхности, никакие силы трения на это колесо не действуют. Колесо, касаясь поверхности в одной точке, вращается вокруг этой точки, потом точкой касания и центром вращения становится другая точка и т.д. Так как точка касания не движется относительно поверхности, то и сила трения скольжения отсутствует.
Однако в реальных условиях дорожное покрытие, и материал, из которого сделан диск колеса, не являются абсолютно жёсткими. Рассмотрим сначала первый случай. Если поставить колесо на мягкую поверхность, надавить сверху с силой P и пытаться, вращая его, продвинуть вперёд со скоростью v, то мы столкнёмся с силой сопротивления качению Fк. Колесо деформирует поверхность под собой так, что впереди появляется бугорок, который всё время приходится преодолевать. Горизонтальная составляющая сил реакции этого бугорка и представляет собой силу трения качения Fк. Вертикальные составляющие сил сопротивления бугорка компенсируются силой тяжести автомобиля. Так как высота бугорка пропорциональна весу колеса (или укреплённого на нём автомобиля), то и сила трения качения Fк тоже пропорциональна весу автомобиля и силе реакции со стороны дороги N: Fк = кN.
Качение несжимаемого колеса радиуса R по несжимаемой поверхности. K – точка касания и мгновенный центр вращения колеса с угловой скоростью , результатом которого является движение центра колеса О со скоростью
При качении мягкого колеса по твёрдой дороге на переднюю часть соприкасающейся с дорогой поверхности колеса всё время «наезжают». Поэтому она сжимается больше, чем задняя, и сила реакции от передней части колеса, направленная противоположно движению, тоже больше. Сила трения качения равна разности горизонтальных составляющих сил реакции от передней и задней частей колеса. Так как сжатие колеса пропорционально весу машины (или силе реакции опоры), то Fк = кN.
Возникновение силы трения при качении твёрдого колеса по мягкой дороге
Силы трения качения определяются жёсткостью материалов колеса и дорожного покрытия. Чем больше жёсткость, тем меньше величина трения качения. Поэтому, чтобы сократить расходы на топливо, необходимо как можно сильнее накачивать автомобильные колеса, делая их более жёсткими. Достаточно пощупать колёса грузовика, чтобы убедиться в этом. У пассажирского автомобиля давление в колёсах гораздо меньше, т.к. с жёсткими колёсами пассажиры будут ощущать все неровности дороги. В результате его шины больше деформируются, и соответственно растёт сила трения качения.
Возникновение силы трения при качении мягкого колеса по жёсткой дороге. При качении мягкого колеса деформация его передних участков больше, что приводит к появлению горизонтальной составляющей силы, действующей со стороны дороги, и силы, тормозящей движение, – силы трения качения
Сила, необходимая для преодоления трения качения, пропорциональна весу автомобиля и, вообще говоря, не зависит от скорости его движения. Чтобы измерить эту силу, поместите машину на горизонтальный участок дороги, поставьте рычаг переключения скоростей в нейтральное положение (отсоедините колёса от двигателя) и выключите зажигание. После этого привяжите к автомобилю трос, а к нему – пружинные весы. Прикладывая к тросу силу, постарайтесь сдвинуть машину с места и равномерно тянуть её. Одновременно с этим ваш помощник должен смотреть на показания весов и записывать их. Если нет пружинных весов, можно использовать бытовые весы для взвешивания человека. Такими весами можно толкать машину, используя их в качестве прокладки. Сила трения качения для автомобиля массой 1000 кг в среднем составляет около 100 Н.
Для очень дальних перевозок построили железные дороги, где железное колесо катится по железному рельсу с очень малым коэффициентом трения качения. Тормозят поезда медленно, но эксплуатация их очень выгодна.
Как выглядел бы мир без трения?
А представьте себе... что пол в вашей комнате стал ещё более скользким, чем каток; вот в этом случае вы и получите отдалённое представление о ходьбе в мире без трения - она в таком мире почти невозможна. Люди поминутно падали бы и не могли подняться. Ведь только трение (точнее: трение покоя) позволяет нам отталкиваться ногами, шагая вдоль по ровной дороге.
На столе ничего не лежало бы: при малейшем -наклоне всё съезжало бы на пол, скользило и катилось по нему, стараясь добраться до самого низкого места. В самом деле, ведь только сила трения покоя удерживает предметы на слегка наклонном гладком столе и полу и не даёт им съезжать под действием силы тяжести.
Все узлы немедленно развязывались бы; ведь узлы держатся только благодаря трению одних частей верёвки, шнурка или бечёвки о другие.
Все ткани расползались бы по ниткам, а нитки - в мельчайшие волокна.
Но не только ходить в мире без трения было бы невозможно.
Каким образом, например, мог бы шофёр остановить свою машину? Ведь автомобиль тормозят тем, что прижимают к специальным барабанам, вращающимся вместе с колёсами, тормозные колодки (или ленты). Повернуть машину в мире без трения тоже не удалось бы. Вспомните, что в гололедицу автомобиль не только «идёт юзом», но и не слушается руля. Без трения автомобиль не только нельзя остановить или повернуть, его вообще нельзя заставить катиться. Мотор приводит во вращение задние ведущие колёса автомобиля. Но в мире без трения вращающиеся ведущие колёса автомобиля будут «буксовать», как это часто бывает в зимнее время на обледеневшей дороге. Чтобы колёса катились, необходимо трение их о дорогу.
В мире без трения нельзя было бы ничего толком построить или изготовить: все гвозди выпадали бы из стен, - ведь вбитый гвоздь держится только из-за трения о дерево. Все винты, болты, шурупы вывинчивались бы при малейшем сотрясении - они удерживаются только из-за наличия трения покоя.
Нельзя было бы построить самой простой машины. Приводные ремни, бегущие со шкива на шкив и передающие вращение от моторов к станкам и машинам, немедленно соскакивали бы: ведь именно трение заставляет ремень, надетый на ведущий шкив, двигаться вместе с ним.
И без жидкого трения жизнь на Земле была бы затруднительной. Из-за неравномерного нагревания Солнцем различных участков поверхности Земли воздух над ними не бывает одинаково плотным. Более плотный воздух из холодных мест перемещается в места более тёплые, вытесняя оттуда нагретый воздух. Возникает движение воздуха - ветер. Но при наличии внутреннего трения (вязкости) движение воздуха тормозится, ветер рано или поздно стихает. В мире без трения ветры дули бы с невероятной скоростью.
Реки, текущие с гор, не тормозились бы о берега и дно. Вода в них текла бы всё быстрее и быстрее и, с бешеной силой налетая на излучины берегов, размывала и разрушала бы их. Упавшие в воду глыбы (например, при извержении вулканов) вызывали бы волны, которые бушевали бы, не стихая - ведь усмирявшее их раньше внутреннее трение между слоями воды, а также трение о берега и дно исчезли! Огромные волны на морях и океанах, раз образовавшись, никогда не стихали бы.
Картина мира без трения: ползущие без торможения со склонов гор на равнины громадные каменные глыбы, рассыпающиеся песчаные холмы... Всё, что может двигаться, будет скользить и катиться, пока не окажется на самом низком возможном уровне.
Может быть, одним из полезнейших явлений природы, делающим возможным наше существование, является именно трение?
Жить в мире, где каждому нашему движению препятствует трение, нелегко, но если трение исчезнет, нам придется гораздо хуже. В фантастическом мире без трения возможны происшествия более удивительные, чем те, что описаны в сказке К. Чуковского «Мойдодыр». В сказке все вещи героя разбежались в стороны, потому что надо было наказать неряху и грязнулю; но то же самое случится сразу же, как только исчезнет трение. Шевельнется спящий человек, и одеяло, не удерживаемое , сползет и отправится путешествовать по комнате, заденет за сапоги, и сапоги поползут куда придется. По еле заметному уклону пола покатится кровать. Она заденет за стол, и стол отправится по направлению полученного толчка. Стол зацепит по дороге за стулья, и очень скоро все вещи соберутся где-нибудь в одном месте. Ведь пол не бывает идеально горизонтальным. В мире без трения жизнь человека превратится в непрестанную, упорную погоню за расползающимися и разбегающимися вещами.
При отсутствии трения
При отсутствии трения каждый, даже самый малейший толчок будет вызывать безостановочное движение по у всех предметов. Но сможет ли человек что-либо сделать? Если он встанет на пол, то как устоять на нем? Полы, тротуары, дороги станут более скользкими, чем самый гладкий лед. Ходить по полу будет совершенно невозможно, и передвигаться люди смогут, пожалуй, только при помощи каких-либо липких или клейких веществ, то есть им придется приклеивать себя к полу при каждом шаге. Но это будет возможно лишь при условии, что с исчезновением трения и эти вещества не потеряют своей липкости. Сразу после исчезновения разных люди с ужасом убедятся, что платье на них расползается. Ведь швы держатся исключительно благодаря трению между нитками и тканью. Все пуговицы оторвутся, все узелки развяжутся, гвозди из ботинок выскочат, и ткани начнут расползаться, потому что волоконца в нитках тоже скреплены трением. Все часы начнут ужасно спешить, так как в точке подвеса их маятника уже не будет действовать сила трения. Все тормоза перестанут действовать. Остановить трамвай, поезд, троллейбус или автомобиль окажется невозможным. Все они будут продолжать движение по инерции равномерно, прямолинейно и безостановочно до тех пор, пока не врежутся в какое-либо препятствие, или не свалятся под откос на повороте. Ураганы, возникшие где-либо на Земле, начнут безостановочное движение вокруг земного шара, все сметая на своем пути. Громадные , поднятые бурями, сделают невозможным сообщение по морю. Все это может произойти только при частичном исчезновении трения. Если же прекратят свое действие все виды трения, то земной шар превратится в клубок мельчайшей пыли, окутанной такой же пыльной атмосферой.Трение не только вредно, но и полезно
Трение мешает людям двигаться и двигать, но без трения мы совсем не могли бы передвигаться и даже существовать. Трение не только вредно, но и полезно . Трение совершенно необходимо и неизбежно. Оно порождено тем, что мир материален и каждый предмет может двигаться только во взаимодействии с другими предметами, а трение является неизбежным следствием этого взаимодействия.Творчество учащихся.
Сборник сочинений учащихся 7-Б класса
"Если бы не было силы трения."
Я думаю, если бы не было силы трения, наш мир был бы совершенно другим.
Во-первых, неизбежно изменились бы и все природные процессы: формирование ландшафта, климата, материков и океанов. Возможно, и весь животный и растительный мир был бы совершенно другим. Человеческий организм сильно бы отличался от нашего. Скорее всего, мы имели бы совершенно другое строение скелета, внутренних органов и кожных покровов. У человека были бы другие приспособления для передвижения по скользкой Земле. Мы могли бы оттолкнуться от подъезда дома и скользить до самой школы, не останавливаясь. Вот только как бы мы остановились? Возможно, нас выручали бы присоски. Иначе выглядело бы все: наши города — жилища и все постройки в городе, транспорт - машины и механизмы, топливо, дороги, одежда. Навряд ли мы смогли бы в этих существах узнать самих себя.
Во-вторых, в природе не может быть пробелов. Я думаю, если бы не было силы трения, её бы заменила другая сила, и человечество приспособилось бы жить на планете без силы трения.
Обыкновенный день. Люди после сна начинают свой обыкновенный образ жизни. Кто собирается на работу, кто в школу, кто останется дома и будет смотреть телевизор. Но вдруг, по непонятной причине, на Земле исчезла сила трения. Люди перестали нормально передвигаться. На перекрестках образовались страшные аварии, потому что машины не смогли затормозить. Теперь на Земле невозможно ходить, ездить на машинах, кататься на велосипедах, и даже летать самолетами. А на санках, роликах или коньках теперь вообще невозможно ездить. Если как-то и удастся поехать, то навряд ли будет так просто остановиться.
Еще страшно то, что в любую минуту на нашу Землю может лететь метеорит. Ведь если будет сила трения, то метеорит будет тормозиться, и постепенно сгорать в атмосфере, а удар по Земле будет в несколько раз слабее.
Может быть, на Землю и не полетит никакой метеорит. Все обойдется. Тогда на Землю будет падать так называемый космический мусор: остатки от спутников, или ракет, которые недавно взлетели, а если была бы сила трения, то большая часть мусора сгорела бы в атмосфере.
В общем, если на Земле не было бы силы трения, то человечество не шагнуло бы так далеко вперед. А если сила трения исчезнет сейчас, то навряд ли кому-то удастся по-прежнему так хорошо жить, или вообще существовать на нашей планете Земля.
Если бы на Земле не было силы трения, то мы бы не ходили, а безостановочно скользили, как на катке.
Не было бы одежды, ведь крючки и петли вязаных вещей держаться за счёт силы трения, да даже если бы и была, то на теле не держалась. Нельзя было бы пользоваться транспортом: машинами, автобусами, велосипедами - колёса просто вертелись бы на месте. Гвозди не держались бы в стенах и шкафах, соответственно, не было бы домов. И вообще, мне кажется, что наша планета не существовала бы.
Как же нам всем надоела эта сила трения! Из-за нее нам постоянно приходится покупать новую обувь, новые колеса, бесконечное количество запчастей на автомобиль. Да и просто мешает постоянно, куда ни посмотри. Как было бы хорошо, если бы она совсем исчезла! А если подумать, на самом ли деле стало бы лучше? Представим такую картину.
Выходим мы утром из нашей пока еще обычной квартиры на улицу, где нет трения, и что видим? Первым делом мы хорошо приложимся затылком о землю, потому что трения между подошвой ботинок и землей больше нет. Идеальный гололед, чего ж еще мы ожидали? После падения мы начнем все быстрее скользить по направлению наклона улицы, если только не попадем в «карман» из каких-нибудь конструкций, откуда просто нет возможности скатиться. Кроме нас, по улице будет катиться все, что прочно не закреплено, то есть не вкопано в землю. Это все люди, животные, мусорные баки и сам мусор, автомобили... Представляете, какая свалка будет в том месте, где это все найдет наконец-то препятствие? Мало того, это будет трагедия, ведь людей будет просто убивать налетающими на них большими предметами, а встать и убежать они будут просто не в состоянии.
Допустим, докатились мы до прочно стоящего автомобиля, прижатого к стене, забрались туда. Поехали... Не тут-то было! Даже если отбросить тот факт, что сцепление автомобиля работает на силе трения, чтобы передавать крутящий момент на ведущий мост, мы все - равно не сможем ехать. Колеса будут крутиться, а автомобиль будет стоять на месте в силу своей инерции. Так что тут-то мы и застрянем.
Что еще может произойти без силы трения? Например, все узлы развяжутся, а применяют их не только на шнурках, но и в некоторых вполне серьезных конструкциях. Шуруп или болт, закрученный вверх, под действием своего или прикрепленного к нему веса самостоятельно вывернется. Можно представить, сколько всего обрушится на землю - может быть, даже наш автомобиль, на котором мы собирались ехать, или соседний дом. С гор скатятся все камни и сойдут все лавины. Вследствие вращения Земли непонятно, как поведут себя моря и океаны - может они просто размажутся равномерно по всей поверхности планеты? А может быть, мы бы до сих пор жили в пещерах, ведь огонь получается с помощью трения?
Всего этого не происходит благодаря силе трения. Да, человек борется с нею всеми способами, но только там, где она не нужна. Бывают случаи, когда мы сами ее увеличиваем. Простейший пример -увеличенные протекторы на ботинках или шипованная резина на автомобиле.
Однако всего этого не произойдет все-таки по одной простой причине - любые поверхности не идеальны. Любая имеет впадины и выемки, в основном довольно крупные. Поэтому даже при полном исчезновении силы трения, эти неровности частично ее заменят. Они сыграют роль «крючков», для преодоления сопротивления которых потребуется приложить некоторую силу. Эта сила сопоставима с силой трения. Поэтому мы все-таки имеем шанс не скатиться вниз по улице, если только не надели идеально гладкую одежду.
Конечно, хорошо бы избавиться от силы трения, но только частично, в нужных местах. Совсем не обязательно бросаться в крайности и убирать что-то совсем. К чему это может привести, мы уже видели.
Исчезла сила трения, и мир превратился в огромный каток, остановиться было бы невозможно, люди были бы в вечном непрекращающемся и очень быстром движении, а также все предметы, сделанные человеком, распались на простые составляющие. Допустим, гвоздь можно было бы достать пальцами, вечно летал бы самолет. Исчезло бы всё: музыка, искусство, наука и даже города. Поэтому мы можем радоваться, что сила трения все же существует и мы можем всем этим пользоваться.
Если бы не было силы трения,
Не остановились бы мы
Ни на мгновение.
Вечно летал бы самолет.
А вдруг он куда пропадет?
На светофоре красный свет
Сейчас загорится. Если бы не было силы трения,
Пора тормозить. А не тормозится!
Не избежали бы мы столкновения.
Сила трения важна!
Сила трения нужна!
Если будет сила трения -
Избежим мы разрушения.
Если б не было силы трения -
Вся Земля тогда бы,
Без сомнения,
Стала бы ледяным катком,
И вместе с ней
Все дома плясали бы весь день.
В далёком волшебном королевстве жили физические законы и их подданные - физические термины. Правила этой страной королева Фюзис, а главным её помощником был Квадратный Корень. Простые жители этого королевства назывались простыми, легко запоминающими именами: Санти, Тяга, Плотность и другие. Как-то раз жительница страны Сила Трения, заметив, что её стали забывать, решила прослыть великой. Она пустила слух, что спасла котёнка от свирепого дракона, но не привлекла этим ничьего внимания. Тогда эта особа стала рассказывать, что если бы её не стало, всем пришлось бы очень-очень туго. Жители тут же заинтересовались, и слух дошёл до королевы:- Немедленно доставьте её ко мне! И через час Сила Трения была доставлена в замок.
И как ты посмела говорить, что без тебя всем будет плохо? Королева велела сослать Силу Трения подальше от королевства. На следующее утро у всех жителей из рук стали выскальзывать предметы, женщины не могли уложить причёски, а ходить стало совсем невозможно. Все поскальзывались на ровном месте и просто ползали. Те, кто доползал до карет, пытались уехать, но кареты не двигались.
Тем временем в далёкой деревне в дальнем королевстве очень спокойный образ жизни вела Сила Трения, нашедшая новую подругу кошку Молекулу. В королевстве же Фюзис стоял страшнейший переполох, и королева, испугавшись, направила Квадратный Корень за сосланной Силой Трения.
Милочка, мы, к счастью, поняли, что без Вас нам не прожить, и просим вернуться. А если Вам прямо так хочется прослыть великой, Вы можете стать актрисой в нашем театре. Сила Трения обрадовалась и решила возвратиться. И больше про неё никогда и никто не забывал.
Сказка о потерянном трении.
«Как же быстро пролетели каникулы…». С этой мыслью я медленно и неохотно завязывал шнурки на ботинках. На кухне мама, чиркнув спичкой, зажгла газ и стала готовить завтрак. Я, наконец-то усмирив никак не застёгивающийся ремень, вошёл на кухню, поел и пошёл в школу. Первым уроком у меня была физика. Сергей Михайлович рассказывал нам про силу трения, но первые минут 10 от урока я проспал. И тут в моей голове поселился вопрос, а что будет, если не будет этой самой силы трения! Я поднял руку и спросил: «Сергей Михайлович! А что будет, если сила трения исчезнет?». Учитель с хитрой улыбкой сказал мне: « Егор, а зайди-ка ты ко мне после уроков». Я опустился на стул и принялся дальше слушать. В этот день уроки тянулись медленно, но вот, наконец, долгожданный звонок с последнего урока. Я договорился с Лешкой встретится через 2 часа на Соборке и покататься на ледянках с горы. Ребята направились в раздевалку, а я в кабинет физики, где меня уже ждал Сергей Михайлович.
Я вошёл в кабинет, учитель сидел и что то писал в небольшом блокноте. «А, Егор!»,- сказал он, «проходи, проходи, я тебя уже заждался». Он указал на стул, я послушно сел. На столе стоял какой то громоздкий, непонятной формы, прибор. Поймав мой взгляд, учитель сказал: «Это волшебный антитренин. Он поможет нам узнать ответ на твой вопрос». Сергей Михайлович нажал на большую красную кнопку. Прибор зашумел, из него повалил дым и искры….
Я очнулся около Соборной горы, а на меня летел автомобиль. Я замер на месте, но потом, опомнившись, решил отпрыгнуть в сторону, но, не тут-то было. Под моими ногами не было льда, но ноги скользили, я упал и пытался отползти. С огромным трудом я увернулся от автомобиля. Мой взгляд скользнул по горке, Лешка пытался взобраться на горку, но попытки не увенчались успехом, он просто полз, как по зеркальному полу. Мы так замерзли, ползая по холодному снегу, что с трудом встретившись, решили разжечь костер и согреться. Но, о, ужас!!! Спички ласково чиркали по коробку и выпадали у нас из рук. Шнурки на моих ботинках не завязывались, скользили и не держали узлов, ремень свалился и от легкого дуновения ветра улетел куда-то в снежную даль. Наши шапки упали. Мы медленно замерзали. Мимо по шоссе мчались автобусы, которые не могли затормозить, обалдевшие пассажиры летали по салону, автобус не мог остановиться, а они не могли удержаться на ногах и схватиться за поручни. Мы с Лешкой в ужасе лежали на снегу, боясь пошевелиться, чтобы не начать двигаться и начинали превращаться в сосульки. «Егор! Не спи, замерзнешь!» О, чей же это такой родной голос?
…Ничего не произошло, я немного приоткрыл глаза и огляделся, около меня, как всегда улыбаясь, стоял Сергей Михайлович. У меня пропал дар речи, я стоял с открытым ртом и непонимающе смотрел на учителя. Он сказал: «Видишь Егор, если бы не было силы трения, то санки бы не смогли остановиться, машина не смогла бы затормозить, спички не зажглись - бы и т.д.
Я всё ещё не мог сказать ни слова, а Сергей Михайлович хлопнул ладонями и всё исчезло.
«Вы волшебник?» - спросил я тихим шепотом.
«Я физик!» - хитро улыбаясь, ответил Сергей Михайлович.
Однажды, жила-была девочка Надя. Она очень любила кататься на коньках и на санках. Ей очень нравился лёд и снег, она любила зиму. В школе они проходили силу трения. И тут Надя подумала: "Как здорово было бы, если бы не было силы трения."
После уроков Надя как обычно шла, не торопясь домой, как вдруг-толчок, она упала, понеслась вперёд, как по льду. Вначале ей это понравилось, но потом она увидела, что начали случаться аварии одна за другой. Машины сбивали людей и сами сталкивались. Постепенно происходили взрывы. Учёные, профессора думали, как это всё остановить, но никто не знал. Вскоре начали рушиться дома, затем города, затем страны. Но никто не мог помочь. Что делать? Надя поняла, что это всё она натворила. Она пожелала, чтобы всё встало на свои места. Так всё и случилось. Затем, когда она пришла домой, она села за уроки. По физике им задали писать сочинение на тему "Мир без силы трения". Девочка обрадовалась, теперь ей есть что рассказать. =)
Ученые говорят, что человек тратит 10-12 % усилий на борьбу с силой трения и избавление от последствий ее действия. Казалось бы, уберем силу трения и резко снизятся потери энергии. Но в действительности далеко не все так просто. Давайте представим, что произойдет, если гипотетически на Земле исчезнет сила трения.
Выходите вы такой ранним утром из своего обычного дома на улицу, где уже нет трения, и что видите? Первым делом вы хорошо приложитесь пятой точкой или затылком, как повезет, о землю, потому что силы трения между ботинками и вашим крыльцом уже нет. А что вы думали? Идеальный гололед.
Упав, вы начнете скользить по поверхности в направлении наклона улицы. Вместе с вами по улице будут катиться ваши соседи, дворовые собаки, мусорные контейнеры и автомобили. Все, что не вкопано глубоко и прочно в землю.
Попав в “карман” из каких-нибудь надежно закрепленных конструкций, откуда некуда катиться, вся ваша дружная компания остановится. Но представьте, какая куча-мала будет в этом месте? Более того – это будет трагедия, ведь против летящего автомобиля или любого другого большого предмета у вас мало шансов. А встать и убежать вы просто не в состоянии. Возможно, нас выручили бы присоски, но не факт.
Что говорят физики по этому поводу:
1. Любые средства передвижения, будь то велосипед, автобус или электричка, не смогут остановиться, а стоящий на месте транспорт не сможет двинуться с места.
2. Ваш ребенок не сможет научиться играть на скрипке, контрабасе, виолончели или альте, просто потому, что смычок не сможет больше извлечь звук из этих музыкальных инструментов. Это самое безобидное последствие отсутствия силы трения.
3. Шнурки вы тоже больше не сможете завязать, потому что всевозможные узлы мгновенно развяжутся.
4. Мы перестанем вешать картины и полки на стены, потому что гвозди и саморезы просто будут выскальзывать из них. Сами по себе будут раскручиваться гайки. Шурупы и болты, закрученные вверх, выкрутятся под собственным весом или весом прикрепленных к ним конструкций. Представляете, сколько всего свалится на землю с высоты?
5. В горах начнутся камнепады и массовые сходы лавин. Вследствие вращения планеты пока непонятно, как будут вести себя океаны и моря. Возможно они просто равномерно тонким слоем размажутся по поверхности всей планеты?
