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?
Трение представляет собой серьезную проблему, если говорить о работе машин и механизмов. Подсчитано, что не менее пяти процентов всей работы, которая совершается рукотворными приспособлениями, идет на преодоление силы трения и производимых ею разрушительных последствий. Вредная сила ведет к потерям энергии и преждевременному износу деталей машин.
Для устранения трения в отдельных узлах и агрегатах технических систем широко применяются различные виды смазок, а также специальные промежуточные приспособления, например, подшипники. Каждый, кому приходилось кататься на лыжах, знает, подобранная и грамотно нанесенная на скользящую поверхность смазка способна значительно увеличить скорость движения по снегу.
К чему приведет исчезновение силы трения
Активно сражаясь с силой трения, специалисты все же не забывают, что не всегда это физическое явление приносит вред. Движение наземных транспортных средств, к примеру, становится возможным только потому, что между колесами и дорогой существует трение. Если предположить, что эта сила вдруг , движущиеся машины не смогут остановиться, а те, что стоят на месте, будут не в состоянии сдвинуться ни на миллиметр.
Проблемы возникнут также у тех, кто любит шить. Отсутствие силы трения немедленно привело бы к самостоятельному развязыванию узлов и распадению тканей на отдельные нити. Без трения стало бы невозможно завязать узел на нитке или веревке. Многие полезные приспособления перестали бы функционировать, распавшись на части, которые не в состоянии удерживаться друг возле друга.
Техника, где столь много внимания уделяется борьбе с вредоносным трением, также пришла бы в плачевное состояние. В большинстве технических приспособлений широко применяются разного рода крепежные элементы на резьбовой основе: шурупы, винты, болты и гайки. Они удерживаются в материале и соединяются между собой исключительно за счет силы трения. Без нее навернуть на болт и зафиксировать ее в нужном положении будет невозможно.
Изменения коснулись бы практически всех физических объектов. Ни одно материальное тело, будь то мелкий камешек или массивная стальная колонна, без трения не смогло бы удержаться на поверхности планеты. Все предметы начали бы беспорядочным образом перемещаться по поверхности, пока не очутились бы на одном уровне. Без силы трения Земля быстро превратилась бы в идеально ровный шар, напоминающий каплю жидкости, которая располагается
Сила трения встречается буквально на каждом шагу. Но знают ли люди, зачем она нужна? В чем вред и польза силы трения? Попробуем разобраться.
Предисловие
На земные объекты действует несколько сил, которые тесно взаимосвязаны между собой и влияют на жизнедеятельность тел. Прежде всего, это сила тяжести, упругости (внутреннее сопротивление тел в ответ на смещение их молекул) и реакции опоры. Но есть еще она очень важная физическая величина, называемая силой трения. Она в отличие от силы тяготения и упругости не зависит от расположения тел. При ее изучении действуют иные законы: коэффициент трения скольжения и сила реакции опоры. Например, если понадобится сдвинуть тяжеловесный шкаф, то с первой же минуты станет понятно, что сделать это непросто. Кроме того, при выполнении данной задачи присутствуют определенные помехи. Что же препятствует усилиям, приложенным к шкафу? А мешает этому не что иное, как сила трения, принцип действия которой изучают еще в школе. Курс физики за 7 класс подробно рассказывает об этом явлении.
Что у нас под ногами?
С ней люди сталкиваются очень часто. Польза трения в том, что мы бы и шагу ступить не смогли, не будь этой физической величины. Именно она удерживает нашу обувь на той поверхности, куда мы ступаем. Каждый из нас ходил по очень скользким поверхностям, например, по льду, и не понаслышке знает, что это очень тяжело. Почему так происходит? Прежде чем рассказать о том, в чем вред и польза силы трения, определимся с тем, что это такое.
Суть понятия
Силой трения называется взаимодействие двух тел, возникающее в месте их соприкосновения и препятствующее их движению относительно друг друга. Различают несколько видов трения - покоя, скольжения и качения.
Причины возникновения
Первая из причин заключается в неизменной шероховатости поверхностей. Именно этот показатель влияет на то, какой вид силы трения будет иметь место. Если речь идет о гладких поверхностях, например, о покрытой металлом крыше или о ледяных участках, то их шероховатость почти не видна, однако это не значит, что ее нет - она присутствует на микроскопическом уровне. В этом случае будет действовать сила трения скольжения. Но если говорить о шкафе, стоящем на ковре, то здесь шероховатости двух объектов будут значительно препятствовать взаимному движению. Второй причиной является электромагнитное молекулярное отталкивание, которое происходит в месте контакта объектов.
Трение покоя
Что происходит в случае, когда мы пытаемся сдвинуть с места шкаф, однако нам не удается переместить его ни на сантиметр. Что удерживает предмет на одном месте? Это сила трения покоя. Дело в том, что приложенные усилия компенсируются силой сухого трения, возникающей между шкафом и полом.
Вред и польза силы трения покоя
Сила трения качения
Если мы вспомним, что когда-нибудь придется двигать шкаф обратно, то решим оснастить его колесиками. В этом случае возникающее взаимодействие будет называться трением качения, поскольку предмет уже будет не скользить, а катиться по поверхности. Катящиеся колесики будут немного вдавливаться в ковер, образовывая бугорок, который нам необходимо будет преодолеть. Этим и обуславливается сила трения качения. Разумеется, если мы покатим шкаф не по ковру, а, например, по паркету, то переместить его будет еще легче, за счет того, что поверхность паркета тверже поверхности ковра. По той же причине велосипедистам ехать по шоссе куда проще, чем по пляжу с мелким песком.
Неоднозначный вопрос
В чем состоит вред и польза силы трения любого типа? Разумеется, приведенные примеры несколько утрированы - в жизни все немного сложнее. Однако несмотря на то, что сила трения имеет очевидные минусы, создающие ряд сложностей в жизни, ясно, что без нее проблем было бы гораздо больше. Поэтому у данной величины есть свои недостатки и преимущества.
Негативные примеры
Среди примеров вреда этой силы на одном из первых мест стоит проблема перемещения тяжеловесных грузов, быстрого изнашивания любимых вещей, а также невозможности создать вечный двигатель, поскольку из-за трения любое движение рано или поздно прекращается, требуя стороннего вмешательства.
Положительные моменты
Среди примеров полезности этой силы то, что мы можем спокойно ходить по земле, не поскальзываясь на каждом шагу, наша одежда прочно сидит и мгновенно не приходит в негодность, поскольку нити ткани удерживаются благодаря трению. Кроме того, люди используют принцип действия этой силы, посыпая скользкие дороги, из-за чего удается избежать множества аварий и травм.
Выводы
Человечество научилось взаимодействовать с данной физической величиной, увеличивая и уменьшая ее в зависимости от поставленных целей. Наша непосредственная задача - попытаться использовать ее максимально эффективно.
Сила трения в жизни человека
В земных условиях
трение всегда
сопутствуют
любому движению
тел. При всех видах механического
движения одни тела соприкасаются либо
с другими телами, либо с окружающей их
сплошной жидкой или газообразной средой.
Такое соприкосновение всегда оказывает
большое влияние на движение. Возникает
сила трения, направленная противоположно
движению.
Существует несколько
видов трения:
Сила трения помогает начать движение и закончить его. Рассмотрим человеческий организм: сердце покрыто специальной слизью, между суставами есть жидкость, лёгкие находятся в специальной пленке.
Человек производит аналогичную операцию: смазывает части двигателя.
Жидкое трение – это сила сопротивления, возникающая при движении тела в жидкости или газе.
Вывод : сила жидкого трения меньше силы сухого трения. Особенность жидкого трения состоит в том, что сила жидкого трения покоя равна нулю.
Особенности движения тел в воде. Одно тело имеет форму шайбы, а другое форму капли, такая форма тела называется обтекаемой.
Вывод:
Сила жидкого трения зависит от формы тела. Чтобы жидкое трение было меньше, тело должно иметь обтекаемую форму.
Сила жидкого трения зависит от скорости движения тела: при небольшой скорости сила трения прямо пропорциональна скорости тела, при больших скоростях прямо пропорциональна квадрату скорости.
Во всех прочих случаях мы должны быть
благодарны трению: оно даёт нам возможность
ходить, сидеть и работать без опасения,
что книги и чернильница упадут на пол,
что стол будет скользить, пока не упрётся
в угол, а перо выскальзывать из пальцев.
Трение представляет настолько
распространенное явление, что нам, за
редкими исключениями, не приходится
призывать его на помощь: оно является
к нам само. Трение способствует
устойчивости. Плотники выравнивают пол
так, что столы и стулья остаются там,
куда их поставили. Блюдца, тарелки,
стаканы, поставленные на стол, остаются
неподвижными без особых забот с нашей
стороны, если только дело не происходит
на пароходе во время качки.
Вообразим,
что трение может быть устранено
совершенно. Тогда никакие тела, будь
они величиною с каменную глыбу или малы,
как песчинки, никогда не удержатся одно
на другом: всё будет скользить и катиться,
пока не окажется на одном уровне. Не
будь трения, Земля представляла бы шар
без неровностей, подобно жидкому». К
этому можно прибавить, что при отсутствии
трения гвозди и винты выскальзывали бы
из стен, ни одной вещи нельзя было бы
удержать в руках, никакой вихрь никогда
бы не прекращался, никакой звук не
умолкал бы, а звучал бы бесконечным
эхом, неослабно отражаясь, например, от
стен комнаты. Наглядный урок, убеждающий
нас в огромной важности трения, даёт
нам всякий раз гололедица.
Застигнутые ею на улице, мы оказываемся беспомощными, и всё время рискуем упасть. Вот поучительная выдержка из газеты (декабрь 1927 г.): «Лондон, 21. Вследствие сильной гололедицы уличное и трамвайное движение в Лондоне сильно затруднено. Около 1400 человек поступило в больницы с переломами рук, ног и т. д.
«При столкновении вблизи Гайд-Парка трёх автомобилей и двух трамвайных вагонов машины были уничтожены из-за взрыва бензина…» «Париж, 21. Гололедица в Париже и его пригородах вызвала многочисленные несчастные случаи…» Однако Ничтожное трение на льду может быть успешно использовано технически. Уже обыкновенные сани служат тому примером. Ещё лучше свидетельствуют об этом так называемые ледяные дороги, которые устраивали для вывозки леса с места рубки к железной дороге или к пунктам сплава. На такой дороге, имеющей гладкие ледяные рельсы, две лошади тащат сани, нагруженные 70 тоннами брёвен.
Силы трения
Мы не в первый раз говорим о трении. И правда, как можно было, рассказывая о движении, обойтись без упоминания о трении? Почти любое движение окружающих нас тел сопровождается трением. Останавливается автомобиль, у которого водитель выключил мотор, останавливается после многих колебаний маятник, медленно погружается в банку с подсолнечным маслом брошенный туда маленький металлический шарик. Что заставляет тела, движущиеся по поверхности, останавливаться, в чем причина медленного падения шарика в масле? Мы отвечаем: это силы трения, возникающие при движении одних тел вдоль поверхности других.
Но силы трения возникают не только при движении.
Вам, наверное, приходилось передвигать мебель в комнате. Вы знаете, как трудно сдвинуть с места тяжелый шкаф. Сила, противодействующая этому усилию, называется силой трения покоя.
Силы трения возникают и когда мы двигаем предмет, и когда мы катим его. Это два несколько отличных физических явления. Поэтому различают трение скольжения и трение качения. Трение качения в десятки раз меньше трения скольжения.
Конечно, в некоторых случаях и скольжение происходит с большой легкостью. Санки легко скользят по снегу, а коньки по льду – и еще легче.
От каких же причин зависят силы трения?
Сила трения между твердыми телами мало зависит от скорости движения и пропорциональна весу тела. Если вес тела возрастет вдвое, то сдвинуть его с места и тащить будет вдвое труднее. Мы выразились не вполне точно, важен не столько вес, сколько сила, прижимающая тело к поверхности. Если тело легкое, но мы крепко надавили на него рукой, то, конечно, это скажется на силе трения. Если обозначить силу, прижимающую тело к поверхности (большей частью это вес), через Р , то для силы трения F тр будет справедлива такая простая формула:
F тр = kP .
А как же учитываются свойства поверхностей? Ведь хорошо известно, что одни и те же сани, на тех же полозьях скользят совсем по-разному, смотря по тому, обиты полозья железом или нет. Эти свойства учитываются коэффициентом пропорциональности k . Он называется коэффициентом трения.
Коэффициент трения металла по дереву равен 1/2. Сдвинуть лежащую на деревянном гладком столе металлическую плиту весом в 2 кГ удастся лишь силой в 1 кГ. А вот коэффициент трения стали по льду равен всего лишь 0,027. Ту же плиту удастся сдвинуть силой, равной всего лишь 54 Г.
Площадь поверхности не входит в приведенную формулу: сила трения не зависит от площади поверхности соприкосновения трущихся тел. Нужна одинаковая сила, чтобы сдвинуть с места или тащить с неизменной скоростью широкий лист стали весом в килограмм и килограммовую гирю, опирающуюся на поверхность лишь малой площадью.
И еще одно замечание о силах трения при скольжении. Сдвинуть тело с места несколько труднее, чем тащить: сила трения, преодолеваемая в первое мгновение движения (трение покоя), больше последующих значений силы трения на 20–30 %.
Что можно сказать о силе трения при качении, например для колеса? Как и трение скольжения, она тем больше, чем больше сила, прижимающая колесо к поверхности. Кроме того, сила трения качения обратно пропорциональна радиусу колеса. Это и понятно: чем больше колесо, тем меньшее значение имеют для него неровности поверхности, по которой оно катится.
Если сравнивать силы, которые приходится преодолевать, заставляя тело скользить и катиться, то разница получается очень внушительная. Например, чтобы тянуть по асфальту стальную болванку весом в 1 Т, нужно приложить силу в 200 кГ – на это способны лишь атлеты. А катить на тележке эту же болванку сможет и ребенок, для этого нужна сила не более 10 кГ.
Немудрено, что трение качения «победило» трение скольжения. Недаром человечество уже очень давно перешло на колесный транспорт.
Замена полозьев колесами еще не есть полная победа над трением скольжения. Ведь колесо надо насадить на ось. На первый взгляд невозможно избежать трения осей о подшипники. Так думали на протяжении веков и старались уменьшить трение скольжения в подшипниках лишь различными смазками. Услуги, оказываемые смазкой, немалые – трение скольжения уменьшается в 8–10 раз. Но даже и при смазке трение скольжения в очень многих случаях столь значительно, что обходится чрезмерно дорого. В конце прошлого века это обстоятельство сильно тормозило техническое развитие. Тогда и возникла замечательная идея заменить в подшипниках трение скольжения трением качения. Эту замену осуществляет шариковый подшипник. Между осью и втулкой поместили шарики. При вращении колеса шарики покатились по втулке, а ось – по шарикам. На рис. 109 показано устройство этого механизма. Таким способом трение скольжения было заменено трением качения. Силы трения уменьшились при этом в десятки раз.
Роль подшипников качения в современной технике трудно переоценить. Их делают с шариками, с цилиндрическими роликами, с коническими роликами. Такими подшипниками снабжены все машины, большие и малые. Существуют шариковые подшипники размером в миллиметр; некоторые подшипники для больших машин весят более тонны. Шарики для подшипников (вы их видели, конечно, в витринах специальных магазинов) производят самых различных диаметров – от долей миллиметра до нескольких сантиметров.
Из книги Пять нерешенных проблем науки автора Уиггинс АртурЧетыре силы Словно мало было хлопот с новыми частицами, в те же 1930 - е годы были открыты еще и новые поля. К уже известному тяготению и электромагнетизму добавились силы ядерного взаимодействия, удерживающие протоны и нейтроны в ядре, и силы слабого взаимодействия,
Из книги Межпланетные путешествия [Полёты в мировое пространство и достижение небесных тел] автора Перельман Яков ИсидоровичIV Можно ли укрыться от силы тяжести? Мы слишком привыкли к тому, что все вещи, все физические тела прикованы своим весом к земле; нам трудно поэтому даже мысленно отрешиться от силы тяжести и представить себе картину того, что было бы, если бы мы обладали способностью
Из книги Вселенная. Руководство по эксплуатации [Как выжить среди черных дыр, временных парадоксов и квантовой неопределенности] автора Голдберг ДэйвЗаслон от силы тяжести Остроумный английский писатель Герберт Уэльс подробно развил эту мысль в научно-фантастическом романе „Первые люди на Луне".Ученый герой романа, изобретатель Кевор, открыл способ изготовления именно такого вещества, непроницаемого для
Из книги Движение. Теплота автора Китайгородский Александр ИсааковичК главе II 1. Силы тяготения Приведенные в начале главы II примеры действия силы тяготения могут быть проверены несложными расчетами, основанными, на законе Ньютона и элементах механики. Напомним сначала, что в механике за единицу измерения силы принята сила, которая,
Из книги НИКОЛА ТЕСЛА. ЛЕКЦИИ. СТАТЬИ. автора Тесла НиколаIV. Откуда же берутся эти силы? Наш разговор мы начали с того, что фундаментальные силы похожи на игры, однако в нашей игре не хватает одного компонента, без которого ничего не получится: это мяч. Задумайтесь об этом. Без мяча теннис - не более чем конвульсивное размахивание
Из книги Системы мира (от древних до Ньютона) автора Гурев Григорий АбрамовичДвижение под действием силы тяжести Будем скатывать небольшую тележку с двух очень гладких наклонных плоскостей. Одну доску возьмем значительно короче другой и положим их на одну и ту же опору. Тогда одна наклонная плоскость будет крутой, а другая – пологой. Верхушки
Из книги Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей автора Дмитриев Александр СтаниславовичМомент силы Попробуйте рукой привести во вращение тяжелое маховое колесо. Тяните за спицу. Вам будет тяжело, если вы ухватитесь рукой слишком близко к оси. Переместите руку к ободу, и дело пойдет легче.Что же изменилось? Ведь сила в обоих случаях одна и та же. Изменилась
Из книги Вселенная! Курс выживания [Среди черных дыр. временных парадоксов, квантовой неопределенности] автора Голдберг ДэйвКак складывать параллельные силы, действующие на твердое тело Когда на предыдущих страницах мы решали задачи механики, в которых тело мысленно заменялось точкой, вопрос о сложении сил решался просто. Правило параллелограмма давало ответ на этот вопрос, а если силы были
Из книги Быть Хокингом автора Хокинг ДжейнПоверхностные силы Можно ли выйти сухим из воды? Конечно, для этого нужно смазаться несмачивающимся водой веществом.Натрите палец парафином и опустите в воду. Когда вы его вынете, окажется, что воды на пальце нет, если не считать двух-трех капелек. Небольшое движение – и
Из книги автораСилы сопротивления при больших скоростях Но вернемся к законам «мокрого» трения. Как мы выяснили, при малых скоростях сопротивление зависит от вязкости жидкости, скорости движения и линейных размеров тела. Рассмотрим теперь законы трения при больших скоростях. Но
Из книги автораКАК КОСМИЧЕСКИЕ СИЛЫ ФОРМИРУЮТ НАШИ СУДЬБЫ* Каждое живое существо - это механизм, Хотя как кажется, влияет на него лишь непосредственное окружение, сфера внешнего воздействия простирается на бесконечное расстояние. Нет такого созвездия, туманности, солнца или планеты
Из книги автораНА НАС ВЛИЯЮТ ПРИРОДНЫЕ СИЛЫ Приняв, что все это истинно, мы приходим к рассмотрению некоторых сил и влияний, которые воздействуют на этот чудесный сложный автоматический механизм с органами невообразимо чувствительными и изящными, когда его несет вращающийся
Из книги автора Из книги автора83 Еще раз про силы сцепления Для опыта нам потребуются: два кусочка стекла или два маленьких зеркальца. Мы помним, как иголка плавала на воде в одном из наших опытов. Помогали ей плавать силы поверхностного натяжения. Но вот вопрос: можно ли почувствовать силу
Из книги автораIV. Откуда же берутся эти силы? Наш разговор мы начали с того, что фундаментальные силы похожи на игры, однако в нашей игре не хватает одного компонента, без которого ничего не получится: это мяч. Задумайтесь об этом. Без мяча теннис – не более чем конвульсивное размахивание
Из книги автора16. Без юридической силы Хотя меня в некоторой степени утешала новообретенная независимость духа, семейный катаклизм на самом деле сломил меня. Во тьме поражения я чувствовала, что опозорена и что от меня все отреклись, что я неуклюже пытаюсь вновь найти свою личность, как
