Презентация на тему «Сила трения»

Слайд 1. Сила трения

• Природа, виды и законы силы трения, её роль в технике, природе и спорте

Доклад: Тема нашей презентации — сила трения, одна из самых распространённых сил в природе и технике. Мы разберём, как она возникает, каким законам подчиняется и как её измеряют. Отдельно посмотрим, где трение помогает человеку, а где мешает.

Слайд 2. Содержание

• Введение
• Что такое сила трения
• Природа трения
• Виды трения
• Трение покоя
• Сила трения скольжения
• Коэффициент трения
• Законы Амонтона — Кулона
• Учёные, открывшие законы трения
• Трение качения
• Трение и тормозной путь
• Полезное и вредное трение
• Как уменьшают трение
• Как увеличивают трение
• Смазка и режимы трения
• Трение в технике
• Трение в природе и быту
• Трение в спорте
• Работа силы трения и нагрев
• Выводы
• Список литературы

Доклад: Начнём с определения силы трения и её физической природы, затем перейдём к видам трения и расчётным формулам. Далее рассмотрим законы Амонтона — Кулона, вклад учёных и практические способы управления трением. Завершим примерами из техники, природы и спорта.

Слайд 3. Введение

• Трение сопровождает любое движение соприкасающихся тел: без него невозможны ни ходьба, ни торможение автомобиля, ни удержание предмета в руке.
• На преодоление трения расходуется значительная часть энергии машин и механизмов, поэтому снижение потерь на трение — постоянная инженерная задача.
• Трение объединяет механику, молекулярную физику и материаловедение; его изучает отдельная наука — трибология.
• Знание законов трения необходимо для расчёта тормозных систем, подшипников, шин, конвейеров и спортивного инвентаря.

Доклад: Трение сопровождает нас буквально на каждом шагу: мы ходим, тормозим, держим предметы в руках только благодаря ему. При этом на преодоление трения тратится огромная доля энергии всех машин мира. Поэтому изучением трения занимается целая наука — трибология.

Слайд 4. Что такое сила трения

• Сила трения — сила сопротивления относительному перемещению соприкасающихся тел, направленная вдоль поверхности их контакта.
• Внешнее трение — сопротивление, возникающее в месте соприкосновения двух твёрдых тел.
• Внутреннее трение — сопротивление слоёв жидкости или газа при их относительном движении, то есть вязкость.
• Сила нормальной реакции — сила, с которой опора давит на тело перпендикулярно поверхности контакта.
• Трибология — наука о трении, изнашивании и смазке контактирующих поверхностей.

Доклад: Сила трения — это сила сопротивления относительному перемещению соприкасающихся тел, и направлена она всегда вдоль поверхности контакта. Различают внешнее трение между твёрдыми телами и внутреннее трение в жидкостях и газах. Ключевую роль в расчётах играет сила нормальной реакции опоры.

Слайд 5. Природа трения

• Шероховатость — Микронеровности поверхностей зацепляются друг за друга
• Молекулярное сцепление — Притяжение молекул в точках фактического контакта
• Деформация выступов — Смятие и срез микровыступов при движении тел

Доклад: Природа трения двойственна. С одной стороны, микронеровности поверхностей механически зацепляются друг за друга и деформируются при движении. С другой — в точках истинного контакта действует молекулярное притяжение, поэтому даже идеально отполированные поверхности продолжают трение испытывать.

Слайд 6. Виды трения

• Трение классифицируют по характеру относительного движения тел и по состоянию поверхностей в зоне контакта.
• Трение покоя
• Трение скольжения
• Трение качения
• Трение верчения
• Сухое
• Граничное
• Смешанное
• Жидкостное

Доклад: По характеру движения трение делят на трение покоя, скольжения, качения и верчения. По состоянию поверхностей выделяют сухое, граничное, смешанное и жидкостное трение. Эта классификация сразу подсказывает инженеру, каким способом можно управлять силой трения в конкретном узле.

Слайд 7. Трение покоя

• Сила трения покоя возникает, когда внешняя сила стремится сдвинуть тело, но оно остаётся неподвижным относительно опоры.
• Она равна по модулю сдвигающей силе и направлена противоположно ей, поэтому изменяется от нуля до некоторого максимального значения.
• Максимальная сила трения покоя примерно равна силе трения скольжения и рассчитывается как произведение коэффициента трения на силу нормального давления.
• Именно трение покоя позволяет ходить, удерживать предметы в руке и передавать движение от ведущих колёс автомобиля к дороге.

Доклад: Трение покоя — единственная сила трения, величина которой подстраивается под внешнее воздействие. Пока приложенная сила меньше максимальной силы трения покоя, тело остаётся неподвижным. Именно этот вид трения даёт нам возможность ходить и позволяет ведущим колёсам автомобиля толкать машину вперёд.

Слайд 8. Сила трения скольжения

• Fтр = μ · N
• Fтр — сила трения скольжения, направлена против относительного движения, Н
• μ — коэффициент трения скольжения, безразмерная величина
• N — сила нормального давления (реакции опоры), Н

Доклад: Для силы трения скольжения справедлива простая формула: она равна произведению коэффициента трения на силу нормального давления. Коэффициент мю безразмерен и зависит от пары материалов, а нормальная реакция измеряется в ньютонах. Направлена сила трения всегда против относительного скольжения тел.

Слайд 9. Коэффициент трения

• Коэффициент трения определяется парой материалов и состоянием поверхностей.
• Его находят опытным путём и берут из справочных таблиц.

Доклад: Коэффициент трения находят только опытным путём и берут из справочных таблиц. Обратите внимание на разброс значений: резина по сухому асфальту даёт до 0,8, а сталь по льду — всего сотые доли. Именно поэтому мокрая дорога и гололёд так резко увеличивают тормозной путь.

Слайд 10. Законы Амонтона — Кулона

• Сила сухого трения прямо пропорциональна силе нормального давления, прижимающей тела друг к другу.
• Сила трения не зависит от площади видимого соприкосновения тел: при её уменьшении растёт давление в точках контакта.
• Коэффициент трения определяется материалами пары и состоянием поверхностей, а не размерами и формой тел.
• Сила трения скольжения в широком диапазоне скоростей от скорости движения практически не зависит.

Доклад: Законы Амонтона — Кулона формулируют четыре ключевых свойства сухого трения. Самое неожиданное из них — независимость силы трения от площади соприкосновения тел: при меньшей площади растёт давление в точках контакта, и произведение остаётся прежним. Эти законы приближённые, но для инженерных расчётов их точности достаточно.

Слайд 11. Учёные, открывшие законы трения

• Леонардо да Винчи, 1452–1519, Первым в опытах установил, что сила трения пропорциональна нагрузке и не зависит от площади контакта
• Гийом Амонтон, 1663–1705, Французский физик, заново открывший и опубликовавший в 1699 году основные законы сухого трения
• Леонард Эйлер, 1707–1783, Разделил трение покоя и трение движения, ввёл обозначение коэффициента трения греческой буквой
• Шарль Огюстен Кулон, 1736–1806, Провёл систематические опыты с трением и придал его законам современный вид

Доклад: Первым закономерности трения нащупал Леонардо да Винчи, но его записи оставались неопубликованными почти три столетия. Заново законы открыл Гийом Амонтон в 1699 году, Леонард Эйлер разделил трение покоя и движения, а Шарль Кулон придал этим законам современный вид. Их фамилии до сих пор стоят в названии основного закона трения.

Слайд 12. Трение качения

• Fк = k · N / R
• Fк — сила сопротивления качению, Н
• k — коэффициент трения качения, имеет размерность длины (мм)
• N — сила нормального давления, Н
• R — радиус катящегося тела, м

Доклад: Трение качения возникает из-за деформации катящегося тела и опоры в зоне контакта. Его коэффициент имеет размерность длины и измеряется в миллиметрах, а сама сила обратно пропорциональна радиусу катка. Практический вывод прост: чем больше колесо, тем легче оно катится.

Слайд 13. Трение и тормозной путь

• Тормозной путь пропорционален квадрату скорости и обратно пропорционален коэффициенту сцепления шин с дорогой.
• Расчёт выполнен для сухого асфальта при коэффициенте сцепления около 0,7.

Доклад: График показывает, как быстро растёт тормозной путь автомобиля с увеличением скорости. Зависимость квадратичная: при удвоении скорости с 60 до 120 километров в час путь торможения вырастает вчетверо. Расчёт сделан для сухого асфальта, а на мокрой дороге все значения увеличатся примерно вдвое.

Слайд 14. Полезное и вредное трение

• Одно и то же явление в одних узлах машины необходимо, а в других вредно.
• Задача инженера — усилить трение там, где оно работает, и подавить там, где оно разрушает.
• Полезное — сцепление колёс с дорогой; удержание предметов в руках; работа тормозов и сцепления; ремённые передачи; узлы и гвозди держатся за счёт трения
• Вредное — износ трущихся деталей; нагрев узлов; потери мощности двигателя; сопротивление воды и воздуха при движении

Доклад: Трение нельзя однозначно назвать полезным или вредным — всё зависит от того, о каком узле идёт речь. В тормозах, ремённых передачах и в контакте колеса с дорогой оно жизненно необходимо. А в подшипниках, цилиндрах двигателя и направляющих станка то же самое трение вызывает износ и потери энергии.

Слайд 15. Как уменьшают трение

• Снижение трения экономит энергию и продлевает срок службы механизмов.
• В машинах на преодоление трения уходит заметная доля мощности двигателя.
• Смазка — слой масла разделяет поверхности и заменяет сухое трение жидкостным
• Подшипники качения — трение скольжения заменяется значительно меньшим трением качения
• Обработка поверхностей — шлифование и полирование уменьшают высоту микронеровностей
• Воздушная и магнитная подушка — непосредственный контакт поверхностей исчезает полностью

Доклад: Уменьшают трение четырьмя основными способами. Смазка разделяет поверхности слоем масла, подшипники заменяют скольжение качением, шлифование снижает шероховатость. В самых ответственных случаях контакт убирают вовсе — на воздушной подушке или магнитном подвесе.

Слайд 16. Как увеличивают трение

• Рисунок протектора и шипы повышают сцепление шин с мокрой и обледенелой дорогой.
• Насечки и рифление наносят на ручки инструментов, ступени лестниц и подошвы обуви.
• Подсыпка песка под колёса локомотива увеличивает коэффициент сцепления при трогании и торможении.
• Увеличение прижимной силы усиливает трение: гоночные автомобили используют антикрыло, а тяжёлые локомотивы — большой вес на ведущих осях.

Доклад: Когда трение нужно усилить, поверхность делают рельефной: протектор шины, шипы, насечки на ручках инструмента, рифление ступеней. Локомотивы подсыпают под колёса песок, чтобы поднять коэффициент сцепления. Второй путь — увеличить силу прижатия, чем и пользуются гоночные автомобили с антикрылом.

Слайд 17. Смазка и режимы трения

• Смазка снижает трение в десятки раз и отводит тепло из зоны контакта.
• Режим трения зависит от скорости, нагрузки и вязкости смазочного материала.
• При разгоне вал в подшипнике последовательно проходит все режимы — от сухого до жидкостного.
• Правильный подбор масла напрямую определяет ресурс двигателя.
• Сухое трение — поверхности контактируют напрямую, коэффициент трения наибольший
• Граничное трение — детали разделяет плёнка смазки толщиной в несколько молекулярных слоёв
• Смешанное трение — часть нагрузки несёт смазка, часть — выступы поверхностей
• Жидкостное трение — слой смазки полностью разделяет детали, износ практически отсутствует

Доклад: Между сухим и жидкостным трением лежат промежуточные режимы — граничный и смешанный. В граничном режиме поверхности разделяет плёнка толщиной в несколько молекул, в жидкостном — полноценный слой масла. Чем ближе узел к жидкостному трению, тем меньше износ и тем дольше служит механизм.

Слайд 18. Трение в технике

• Подшипники качения снижают потери на трение в валах машин в десятки раз по сравнению с подшипниками скольжения.
• Тормоза, сцепление автомобиля и фрикционные муфты работают именно за счёт силы трения.
• Ремённые и фрикционные передачи передают вращение только благодаря трению между шкивом и ремнём.
• Износ от трения — главная причина выхода деталей из строя, поэтому их изготавливают из износостойких материалов и закаливают.

Доклад: В технике трение — и рабочий инструмент, и главный враг. Тормоза, сцепление и ремённые передачи существуют только благодаря трению. Одновременно износ трущихся деталей остаётся основной причиной отказов машин, поэтому детали закаливают и подбирают износостойкие пары материалов.

Слайд 19. Трение в природе и быту

• Ходьба возможна только благодаря трению покоя между подошвой и опорой; на льду коэффициент трения падает до сотых долей, и человек скользит.
• Корни растений удерживаются в почве, а нити паутины и птичьи гнёзда не рассыпаются во многом за счёт сил трения.
• В суставах человека трение минимально: суставная жидкость создаёт режим жидкостного трения.
• Забитый гвоздь, завязанный узел и вкрученный шуруп удерживаются исключительно силой трения.

Доклад: В быту мы почти не замечаем трение, пока оно не исчезает. Зимой на обледенелом тротуаре коэффициент трения падает до сотых долей, и привычная ходьба становится невозможной. Зато в суставах человека трение минимально благодаря суставной жидкости — это природный пример жидкостного трения.

Слайд 20. Трение в спорте

• Коньки и лыжи скользят по тончайшему слою воды, который возникает под давлением и от нагрева при трении.
• Лыжные мази подбирают под температуру и структуру снега, чтобы получить сцепление при отталкивании и скольжение при движении.
• Гимнастическая магнезия и канифоль, наоборот, увеличивают трение и делают хват надёжнее.
• В плавании, велоспорте и беге на коньках существенны силы сопротивления воды и воздуха, поэтому важны обтекаемые костюмы и низкая посадка.

Доклад: В спорте трением управляют очень тонко. Конькобежец скользит по микроскопическому слою воды, лыжник подбирает мазь под температуру снега, чтобы одновременно получить и держание, и скольжение. А гимнаст, наоборот, наносит магнезию, чтобы увеличить трение и не сорваться со снаряда.

Слайд 21. Работа силы трения и нагрев

• A = −Fтр · s — Работа силы трения — Всегда отрицательна и зависит от длины пути, а не только от начального и конечного положений тела.
• Теплота — Куда уходит энергия — Механическая энергия, потерянная на трение, переходит во внутреннюю энергию трущихся тел.
• до 500 °C — Нагрев тормозов — При интенсивном торможении тормозные диски автомобиля разогреваются до сотен градусов.

Доклад: Работа силы трения всегда отрицательна: она уменьшает механическую энергию тела и зависит от длины пройденного пути. Потерянная энергия не исчезает, а переходит во внутреннюю энергию — тела нагреваются. Именно поэтому тормозные диски при резком торможении раскаляются до сотен градусов.

Слайд 22. Выводы

• Сила трения возникает при контакте тел и всегда направлена против относительного движения или его возможного направления.
• Для сухого трения справедлива формула Fтр = μN: сила пропорциональна нормальному давлению и не зависит от площади контакта.
• Различают трение покоя, скольжения и качения; трение качения на порядки меньше, поэтому колесо и подшипник изменили технику.
• Трение бывает и полезным, и вредным, и его сознательно уменьшают смазкой и подшипниками либо усиливают протектором и рифлением.
• Без трения были бы невозможны ходьба, торможение, крепёж и большинство передач движения в машинах.

Доклад: Итак, сила трения подчиняется простому закону Fтр равно мю эн и всегда направлена против относительного движения. Мы разобрали три её вида, увидели, что трение качения на порядки меньше трения скольжения, и поняли, зачем нужны подшипники. Главный вывод: трением можно и нужно управлять — усиливать там, где оно работает, и снижать там, где оно разрушает.

Слайд 23. Список литературы

• Крагельский И. В., Добычин М. Н., Комбалов В. С. Основы расчётов на трение и износ. — М.: Машиностроение, 1977.
• Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н. Н. Физика. 10 класс. — М.: Просвещение.
• Савельев И. В. Курс общей физики. Т. 1. Механика. Молекулярная физика. — М.: Наука.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 1. Механика. — М.: Физматлит.
• Трофимова Т. И. Курс физики. — М.: Академия.

Доклад: При подготовке презентации использованы классические учебники общей физики Савельева, Сивухина и Трофимовой, а также школьный курс Мякишева. Отдельно стоит отметить монографию Крагельского по расчётам на трение и износ — это базовый труд отечественной трибологии. Все приведённые числовые данные взяты из справочных таблиц этих источников.

Слайд 24. Спасибо за внимание!

Доклад: На этом наше рассмотрение силы трения завершено. Мы прошли путь от определения и природы трения до его практического применения в технике, быту и спорте. Спасибо за внимание, готов ответить на ваши вопросы.