Исследовательская работа по физике в 7 классе: 'Трение и его значение в жизни человека'

МБОУ Грузиновская СОШ

Исследовательская работа

Трение и его значение в жизни человека

Выполнил: учащийся 7 класса

Тришечкин Дмитрий

Руководитель:

Учитель физики

Петрова Татьяна Ивановна

Грузинов, Морозовский район

Ростовской области

20142015 год

Содержание

Введение………………………………………………………………………………….. 3 - 4

Виды силы трения……………………………………………………………… 4 - 6 Использование трения человеком ………………………………………… 6 - 11

Практическая часть……………………………………………………………… 11 - 29

Зависимость силы трения скольжения от нагрузки ……………………………… 12 - 15 Зависимость силы трения от площади соприкосновения трущихся поверхностей:………………………………………………. 15 -18

Зависимость силы трения скольжения от качества обработанной поверхности……………………………………………….. 18 - 19

Зависимость силы трения качения от материала из которого изготовлены трущиеся тела……………. 19 - 21

Вычисление коэффициента трения скольжения для следующих материалов:

дерево по дереву, дерево по металлу, дерево по пластику…………………………………………………………… 21 - 22

Сравнение силы трения скольжения и силы трения качения……………………………………………. 23 - 25

Определение коэффициента трения скольжения школьной обуви о различные поверхности.………………………………………………… 25 - 29

……………………………………………………………

Заключение…………………………………………………………………… 29

Список литературы…………………………………………………………… 30

Приложение. 30

Введение

Наша жизнь связана с движением в различных средах: по суше, воздуху и воде. Простейшим видом этого движения является механическое движение. В реке течет вода, по которой плывет лодка, по небу бегают облака, а среди них летают птицы и самолеты, по дорогам мчатся машины, а по рельсам поезда. Но во всех этих проявлениях движения есть общая черта - при всех таких движениях тела соприкасаются либо с другими телами, либо с окружающей средой. Такое соприкосновение не может не оказывать влияния на движение. Например, когда санки катятся по снегу, то они останавливаются под действием силы трения, даже если на дороге нет никаких неровностей и преград. Точно так же останавливаются и мяч, и бильярдный шар, и бочка, и детский шар. Благодаря трению фигуристы танцуют на льду, выполняя сложные пируэты, благодаря ему же люди ходят по земле и не падают, стоят в квартирах шкафы и серванты, наполненные домашней утварью, текут реки, ездят машины, не выпадают из стен забитые гвозди.

Трение присутствует во множестве окружающих нас явлений, играя при этом как полезную, так и вредную роль. Как разгоняется автомобиль, и какая сила замедляет его при торможении? Почему автомобиль «заносит» на скользкой дороге? Что служит причиной быстрого износа деталей? Почему автомобиль, разогнавшись до больших скоростей, не может резко остановиться? Как удерживаются растения в почве? Почему живую рыбу трудно в руке удержать? Чем объяснить высокий процент травматизма и дорожно-транспортных происшествий во время гололедицы в зимний период?

Ответы на эти и многие другие вопросы, связанные с движением тел, дают законы трения.

Поэтому возникает проблема: от чего зависит величина силы трения?

Недостаточность знаний по этому вопросу и желание определить особенности силы трения обусловили выбор темы исследования «Трение и его значение в жизни человека».

Объектом исследования является сила трения.

В качестве предмета исследования выступают факторы, влияющие на величину силы трения.

Целью исследования является изучение влияния силы давления, рода соприкасающихся поверхностей, площади соприкасающихся поверхностей, качества обработки поверхностей на величину силы трения скольжения; сравнение силы трения скольжения и силы трения качения; расчет коэффициента трения скольжения подошв школьной обуви о различные поверхности.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

• подбор литературы по проблеме;

• изучение, анализ, обобщение литературы по проблеме;

• изучение влияния силы давления, рода и площади соприкасающихся поверхностей на величину силы трения скольжения;

• анализ полученных результатов.

Гипотеза исследования: сила трения скольжения зависит от силы давления, рода соприкасающихся поверхностей и площади соприкасающихся поверхностей.

В ходе работы использовались следующие методы исследования:

• Теоретические (изучение, анализ, обобщение литературы).

• Эмпирические (наблюдения, беседы, измерения).

• Интерпретационные (количественная и качественная обработка результатов).

Новизной работы является постановка простейших опытов, позволяющих изучить влияние силы давления, рода и площади соприкасающихся поверхностей, качества обработки поверхностей на величину силы трения скольжения. В повседневной жизни мы каждый день сталкиваемся с тем, что об истинной природе практически ничего не знаем. Сила трения - одно из самых распространенных явлений на Земле, без нее не обходится ни одно движение. И, конечно, сила трения играет важную роль в нашей жизни.

Виды силы трения

Трение - взаимодействие, препятствующее относительному движению тел, возникающее при соприкосновении одного тела с другим.

При наличии относительного движения двух контактирующих тел силы трения, возникающие при их взаимодействии, можно подразделить на:

*Трение скольжения - сила, возникающая при поступательном перемещении одного из взаимодействующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения;

Из-за чего постепенно останавливаются санки, скатившиеся с горы? Из-за трения скольжения. Почему замедляет свое движение шайба, скользящая по льду? Вследствие трения скольжения, направленного всегда в сторону, противоположную направлению движения тела. Сила трения скольжения рассчитывается по формуле:

по известному коэффициенту трения скольжения и силе давления на поверхность.

Причины возникновения силы трения:

1. Шероховатость поверхностей соприкасающихся тел. Даже те поверхности, которые выглядят гладкими, на самом деле всегда имеют микроскопические неровности (выступы, впадины). При скольжении одного тела по поверхности другого эти неровности зацепляются друг за друга и тем самым мешают движению;

2) межмолекулярное притяжение, действующее в местах контакта трущихся тел. Между молекулами вещества на очень малых расстояниях возникает притяжение. Молекулярное притяжение проявляется и в тех случаях, когда поверхности соприкасающихся тел хорошо отполированы.

*Трение качения - cила, возникающая при качении одного из двух взаимодействующих тел относительно другого и противодействующий вращению движущегося тела.

Если тело не скользит по поверхности другого тела, а, подобно колесу или цилиндру, катится, то возникающее в месте их контакта трение называют трением качения.

Катящееся колесо несколько вдавливается в полотно дороги, и потому перед ним всё время оказывается небольшой бугорок, который необходимо преодолевать. Именно тем, что катящемуся колесу постоянно приходится наезжать на появляющийся впереди бугорок, и обусловлено трение качения.
При отсутствии относительного движения двух контактирующих тел и наличии сил, стремящихся осуществить такое движение, в ряде ситуаций возникает

*Трение покоя - сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного движения.

Положим брусок на наклонную доску, при не слишком большом угле наклона доски. Брусок может остаться на месте. Что будет удерживать его от соскальзывания вниз? Трение покоя.

Прижмем свою руку к лежащей на столе тетради и передвинем ее. Тетрадь будет двигаться относительно стола, но покоиться по отношению нашей ладони. С помощью чего мы заставили эту тетрадь двигаться? С помощью трения покоя тетради о руку. Трение покоя перемещает грузы, находящиеся на движущейся ленте транспортера, препятствует развязыванию шнурков, удерживает гвозди, вбитые в доску, и т. д.

Использование трения человеком

Впервые человек сознательно применил трение при получении огня. Для добывания огня люди брали острую деревянную палочку, упирали ее в деревянный брусок и быстро-быстро вращали. При этом благодаря трению выделялось тепло, и сухой мох, положенный в лунку вспыхивал. Многие современнее способы получения огня также связаны с трением.

Трение даёт нам возможность ходить, сидеть, работать без опасения, что книги и тетради упадут со стола, что стол будет скользить, пока не упрётся в угол, а ручка выскользнет из пальцев. Трение способствует устойчивости. Плотники выравнивают пол так, что столы и стулья остаются там, где их поставили. Маленькое трение на льду может быть успешно использовано технически. Свидетельство этому 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.

Появление колеса также связано с существованием силы трения. Сначала тяжелые грузы просто волочили по земле, но потом люди заметили, что гладкие предметы передвигать легче, чем шероховатые, поэтому грузы стали класть на пару гладких бревен. Появились сани. Вскоре люди заметили, что сани везти легче, если под них подложить круглые бревна-катки. Но перевозить с помощью катков было очень неудобно, ведь их нужно было постоянно перекладывать вперед. Чтобы катки не выкатывались их стали прикреплять к самим саням. Так катки начали превращаться в колеса, а сани - в повозки: телеги, тачанки, кареты, т.е. в колесные экипажи.

Трение - не только тормоз для движения. Это и ещё и главная причина изнашивания технических устройств, проблема, с которой человек столкнулся также на самой заре цивилизации. Так, ножки тяжелых предметов, например, кроватей, роялей и т. п., снабжают роликами. В технике для уменьшения трения в машинах широко пользуются подшипниками качения, иначе называемыми шариковыми и роликовыми подшипниками. Трение поршней, скользящих по стенкам цилиндров двигателей, уменьшается со временем. Причина этого в том, что при нагревании чугунных стенок цилиндра, углерод, содержащийся во всяком чугуне, выделяется на их поверхности в виде тонкой пленки графита - чёрного блестящего вещества, из которого делают карандашные грифели. Этот графит и играет роль смазки. Его частицы легко скользят друг по другу, понижая трение скольжения.

Но используется человеком и искусственная смазка, например, для еще большего уменьшения трения лыж о снег их поверхность смазывают особой мазью. Трение сухого снега о слой смазки меньше, чем о деревянные лыжи

Сила трения останавливает автомобиль при торможении, но без трения покоя он не смог бы и начать движение. Чтобы увеличить трение, поверхность шин у автомобиля делают с ребристыми выступами Зимой, когда дорога бывает особенно скользкая, её посыпают песком, очищают ото льда.

Трение служит искусству. Так, без трения смычка о струны была бы невозможна игра на скрипке или виолончели.

Трение служит спорту. Без трения невозможны были бы известные нам виды спорта:

В результате трения истираются трущиеся поверхности, поэтому трение широко используется в процессах заточки инструментов, шлифовки и полировки поверхностей металлов, стекла, алмазов, дерева и других материалов.

В жизни человека, природе и технике трение имеет большое значение. В одних случаях трение может быть полезным и его стараются увеличить, в других случаях трение может быть вредным и тогда его стремятся уменьшить.

Практическая часть.

Исследуем факторы, от которых зависит сила трения:

• Зависимость силы трения скольжения от силы, прижимающей данное тело к поверхности другого тела, т.е. от силы нормального давления;

• Зависимость силы трения скольжения от площади соприкасающихся тел;

• Зависимость силы трения скольжения от материала, из которого изготовлены тела;

• Зависимость силы трения скольжения от качества обработки трущихся поверхностей.

• Сравнение модулей сил трения скольжения и трения качения

Эксперимент №1 Зависимость силы трения скольжения от нагрузки

Определяю цену деления шкалы лабораторного динамометра, и измеряю вес деревянного бруска с крючком.

С помощью динамометра измеряю силу трения скольжения бруска по деревянной поверхности линейки.

На брусок помещаю сначала один, затем два, затем три груза массой по 100 г (весом по 1 Н) и каждый раз определяю величину силы трения скольжения с помощью динамометра при равномерном перемещении бруска с грузами по деревянной поверхности линейки.

Измерения представлены в таблице:

Количество брусков

Вес ,Н

Сила трения скольжения, Н

1

1,7

0,5

2

2.7

0,8

3

3,7

1.2

Вывод: Из экспериментов видно, что, чем больше сила давления, тем сила трения скольжения больше.

Строю диаграмму зависимости силы трения скольжения от нагрузки

Сила трения скольжения, Н

Вес, Н

Эксперимент №2 Зависимость силы трения скольжения от площади соприкосновения трущихся поверхностей.

На деревянную линейку помещаю деревянный брусок большой гранью. На него помещаю три груза весом по 1 Н.

При помощи динамометра брусок с грузом перемещаю равномерно по поверхности линейки.

Измеряю динамометром силу трения скольжения бруска по поверхности линейки.

На деревянную линейку помещаю деревянный брусок с тремя грузами средней по величине гранью, затем самой малой гранью и снова с помощью динамометра измеряю силу трения скольжения.

Измерения представлены в таблице:

Площадь грани бруска, см²

Сила трения скольжения, Н

168

1,2

88

1,1

48

1,2

Вывод : Из эксперимента видно, что сила трения скольжения не изменяется с увеличением площади соприкасающихся поверхностей. Значит, она не зависит от площади поверхности.

Строю диаграмму зависимости силы трения скольжения от площади соприкасающихся поверхностей.

Сила трения скольжения, Н

Площадь грани, см ²

Эксперимент №3 Зависимость силы трения скольжения от качества обработанной поверхности: дерево по дереву (различные способы обработки поверхности)

По отшлифованной деревянной поверхности линейки я равномерно перемещаю деревянный брусок с тремя грузами.

С помощью динамометра измеряю силу трения скольжения, возникающую между деревянной поверхностью линейки и деревянной поверхностью бруска.

Отшлифованная деревянная поверхность заменялась сначала гладкой деревянной поверхностью, затем шероховатой деревянной поверхностью и каждый раз измерялась сила трения скольжения при равномерном перемещении по ним деревянного бруска с тремя грузами. Измерения представлены в таблице:

Сила трения скольжения при движении деревянного бруска по поверхности

шероховатая

гладкая

отшлифованная

1,6Н

0,8Н

0,3Н

Вывод: Сила трения скольжения больше там, где шероховатость поверхности больше.

Строю диаграмму зависимости силы трения скольжения от качества обработанной поверхности

Сила трения скольжения, Н

Качество поверхности

Эксперимент №4 Зависимость силы трения скольжения от материала, из которого изготовлены трущиеся тела.

По деревянной поверхности линейки равномерно я перемещал деревянный брусок с тремя грузами.

С помощью динамометра измеряю силу трения скольжения, возникающую между деревянной поверхностью линейки и деревянной поверхностью бруска.

Деревянная поверхность заменялась сначала металлической поверхностью, затем картонной поверхностью листа и каждый раз измерялась сила трения скольжения при равномерном перемещении по ним деревянного бруска с тремя грузами. Измерения представлены в таблице:

Сила трения скольжения при движении деревянного бруска по поверхности

Деревянная поверхность

Металлическая поверхность

Картонная поверхность

1,2Н

1,5Н

1Н

Вывод: Сила трения скольжения меняется при движении бруска по поверхностям из различного материала. Значит, величина силы трения скольжения зависит от рода взаимодействующих поверхностей.

Вычисление коэффициента трения скольжения.

При исследовании силы трения скольжения от материалов трущихся поверхностей использовали деревянный брусок, на котором помещали от 1 до 3 грузов по 100г и разные контактные поверхности. Использовали формулу:

- сила трения

Рассчитываю коэффициенты трения скольжения для следующих материалов:

Трущиеся материалы

Сила давления, Н

Сила трения cкольжения,Н

Коэффициент трения скольжения

Среднее значение коэффициента трения скольжения

Дерево по дереву

1,7

0.5

0.29

0,3

2,7

0.8

0.3

3,7

1.2

0.32

Дерево по металлу

1.7

0.7

0.41

0,42

2.7

1.2

0.44

3.7

1.5

0.4

Дерево по пластику

1.7

0.4

0.235

0,24

2.7

0.7

0.259

3.7

0.9

0.243

Составлю диаграмму сравнения коэффициентов трения скольжения для различных материалов

Коэффициент трения скольжения

Материал

Вывод:

Проанализировав полученные значения коэффициента трения скольжения (μ), можно сделать вывод, что μ характеризует поверхность. Таким образом, чем больше значение μ, тем больше сила трения скольжения.

Эксперимент №5. Сравним силу трения скольжения и силу трения качения.

В эксперименте заменяю деревянный брусок катком такой же массы. Перемещаю грузы по деревянной поверхности. С помощью динамометра измеряю силу трения скольжения и силу трения качения. Измерения представлены в таблице.

Предмет

Сила трения, Н

Брусок

0,3

Каток

0,1

Вывод: При движении бруска по деревянной поверхности сила трения скольжения больше, чем при движении катка такой же массы.

Сводная таблица.

Сила трения

зависит

Не зависит

От силы давления на поверхность

От площади поверхности

От рода трущихся поверхностей

От качества обработанной поверхности

Сила трения скольжения больше силы трения качения

Знания, полученные при изучении силы трения, я применю для расчета коэффициента трения скольжения подошв школьной обуви о различные поверхности.

В школе я могу носить обувь с подошвой из резины, микрофибры, полиуретана. В кабинетах пол покрыт линолеумом, в спортзале - крашеный деревянный, в вестибюле - напольная плитка.

Определение коэффициента трения скольжения подошв школьной обуви о различные поверхности

Ход эксперимента:

1.Измеряю силу тяжести, действующую на ботинок с резиновой подошвой.

2.Кладу ботинок на поверхность из линолеума и протяну его с постоянной скоростью при помощи динамометра. Измеряю силу трения скольжения.

3.Для более точных вычислений, проделаю опыт несколько раз и вычислю среднее значение коэффициента трения скольжения резиновой подошвы о линолеум.

№

Материал подошвы обуви

Покрытие пола

Сила тяжести, Н

Сила трения скольжения, Н

Коэффициент трения скольжения

Среднее значение коэффициента трения скольжения

1

резина

линолеум

2,3

0,8

0,35

0,36

2

2,3

0,8

0,36

3

2,3

0,8

0,36

1

резина

плитка

2,3

0,6

0,27

0,27

2

2,3

0,6

0,28

3

2,3

0,6

0,27

1

резина

дерево

2,3

1

0,45

0,45

2

2,3

1,1

0,46

3

2,3

1

0,44

Аналогично провожу эксперимент с обувью, где материалом подошвы является полиуретан и микрофибра.

№

Материал подошвы обуви

Покрытие пола

Сила тяжести, Н

Сила трения скольжения, Н

Коэффициент трения скольжения

Среднее значение коэффициента трения скольжения

1

полиуретан

линолеум

2,5

1,2

0,46

0,45

2

2,5

1,1

0,45

3

2,5

1,1

0,45

1

полиуретан

плитка

2,5

0,7

0,28

0,28

2

2,5

0,8

0,29

3

2,5

0,7

0,28

1

полиуретан

дерево

2,5

1,1

0,45

0,46

2

2,5

1,2

0,47

3

2,5

1,1

0,46

№

Материал подошвы обуви

Покрытие пола

Сила тяжести, Н

Сила трения скольжения, Н

Коэффициент трения скольжения

Среднее значение коэффициента трения скольжения

1

микрофибра

линолеум

2,2

0,8

0,38

0,38

2

2,2

0,8

0,38

3

2,2

0,8

0,37

1

микрофибра

плитка

2,2

0,8

0,36

0,35

2

2,2

0,7

0,34

3

2,2

0,8

0,36

1

микрофибра

дерево

2,2

1,2

0,56

0,55

2

2,2

1,2

0,56

3

2,2

1,1

0,54

Составлю сравнительные диаграммы зависимости среднего значения коэффициента трения подошвы школьной обуви о пол.

Коэффициент трения скольжения (полиуретан)

Материал

Материал

Коэффициент трения скольжения (микрофибра)

Коэффициент трения скольжения (резина)

Материал

Таким образом, проведя опыт, я делаю вывод, что наибольший коэффициент трения скольжения у подошвы сделанной из микрофибры, затем из полиуретана, а наименьший коэффициент у резиновой подошвы. Из этого следует, что при покупке обуви следует учитывать особенности подошв и погодных условий, в которых вы будете носить данную обувь. Итак, сменную обувь для школы следует покупать с подошвой из микрофибры, так как она имеет наибольший коэффициент трения по различным поверхностям, и это поможет избежать падений и травм. Также полиуретан обладает хорошей устойчивостью к различным температурам и прочностью.
Кроме этого, замена линолеумной поверхности на напольную плитку уменьшила трение незначительно для всех видов подошв. Я предполагаю, что это связано с новизной плитки и через некоторое время трение подошв обуви о напольную плиточную поверхность увеличится.

Заключение

Работая над проектом, я пришел к выводу, что сила трения играет огромную роль в жизни не только человека ( в быту, технике), но и в природе.

Мы можем писать на бумаге, вещи, стоящие на столе, не улетают от малейшего сквозняка, одежда, может висеть на стуле или плечиках в шкафу, я могу водить компьютерной мышкой по коврику, мы с трудом двигаем шкаф, т.к. есть сила трения, но если случайно разлить подсолнечное масло на кухне, любой входящий будет скользить, т.к. уменьшится сила трения.

Мы можем ходить по земле, белки прыгают по веткам деревьев, ленивец висит на ветке, птичка может присесть на провод, вода точит камень, образование планет и комет, идет дождь и вода стекает в низину, огромные валуны лежат на краях скал и не падают вниз - их держит сила трения.

Автомобиль может тормозить; на севере люди передвигаются на санках и лыжах - так быстрее, т.к. меньше сила трения; мы можем ездить на велосипеде; любые смазанные детали работают лучше; в шарикоподшипниках возникает сила трения качения; для безопасной езды зимой применяют колеса с шипами или даже с цепями; существуют механизмы для передачи или преобразования движения с помощью трения, т.н. фрикционные механизмы.

Я выяснил, что человек издавна использует знания о явлении трения, полученные опытным путем. Начиная с XV-XVI веков, знания об этом явлении становятся научными: ставятся опыты по определению зависимостей силы трения от многих факторов, выясняются закономерности.

Теперь я точно знаю, от чего зависит сила трения, а что не влияет на нее. Если говорить более конкретно, то сила трения зависит: от нагрузки или массы тела; от рода соприкасающихся поверхностей; от размера неровностей или шероховатостей поверхностей. А вот от площади соприкосновения она не зависит. Сила трения качения всегда меньше силы трения скольжения.

Теперь я могу объяснить все наблюдаемые в практике закономерности связанные с возникновением силы трения .

Я провел серию экспериментов, проделал примерно такие же опыты, как и ученые, и получил примерно такие же результаты. Получилось, что экспериментально я подтвердил все утверждения, высказанные ими.

Но, наверное, самое главное - я понял, как здорово добывать знания самому, а потом делиться ими с другими.

Список использованной литературы.

1. Элементарный учебник физики:Учебное пособие. В 3-хт. /Под ред.Г.С.Ландсберга. Т.1 Механика.Молекулярная физика.М.:Наука, 1985.

2. Иванов А.С., Проказа А.Т. Мир механики и техники: Кн.для учащихся. - М.: Просвещение, 1993.

3. Бытько Н.Д. Физика, ч.1 и 2. Механика. Молекулярная физика и теплота.М.: Высшая школа, 1972.

4. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика Ч.1 Биография физики. Путешествие в глубь материи. Механическая картина мира/Глав. Ред. В.А.Володин. - М.:Аванта+,\

Приложение

Не бегать по помытым полам и другим скользким поверхностям, потому что, чем больше гладкость поверхности, тем меньше сила трения, значит, можно поскользнуться и упасть, при этом нанеся себя различные увечья.

При передвижении какого-либо тяжелого предмета желательно на пути движения располагать округлые предметы, например, бревна, т.к. сила трения качения меньше силы трения скольжения.

При «буксовании» же машины силу трения, наоборот, надо увеличивать, поэтому стоит подсыпать камни и гравий.

Для увеличения долговечности разных вещей можно использовать