Статья для самообучения на тему "Трение" для школьников

Вступление

Все мы в повседневной жизни постоянно сталкиваемся с таким физическим явлением, как трение, даже не отдавая себе отчёт. Когда идём куда-либо, когда едем в транспорте, даже когда сидим в кресле.

Необходимые материалы:

Велосипед.

Проведение эксперимента

Р ассмотрим велосипедное колесо. Оно состоит из центральной втулки, обода и спиц. На него монтируется резиновая покрышка с установленной внутрь герметичной камерой. Колесо может быть предназначено как для ободного тормоза, так называемого, v-brake, так и для дискового тормоза, монтируемого на центральную втулку. Втулка может быть оснащена осью вращения либо с обычными гайками, либо гайками с эксцентриками, позволяющими быстро демонтировать колесо с вилки велосипеда.

На фотографии мы видим колесо для ободного тормоза v-brake, со втулкой, оснащённой осью с обычными гайками.

Давайте попробуем вращать колесо, приподняв переднюю часть велосипеда. Не правда ли, легко вращается? Это происходит из-за особого способа крепления оси внутри втулки. Ось смонтирована внутри втулки при помощи специальных устройств – подшипников. Пример подшипника изображён на фотографии. Они и обеспечивают лёгкость вращения колеса.

Шарики в этом подшипнике катятся по дорожке на поверхности оси и по дорожке внутри втулки, так как они изготовлены из стали, их необходимо защищать от коррозии специальной смазкой.

Давайте перевернём велосипед вверх колёсами, поставив его на сидение и руль, и толкнём колесо, чтобы оно начало вращаться. Как мы можем наблюдать, несмотря на лёгкость вращения колеса, оно всё-таки останавливается через какое-то время. Почему же так происходит?

На вращающиеся в подшипнике шарики и на втулку действуют силы трения. Так как шарики не проскальзывают внутри втулки, то мы назовём это явление трением качения. В случае шарико-подшипника, трение качения является вредным.

Теперь давайте прокатим наш велосипед по асфальту. Как вы думаете, какое трение испытывают колёса велосипеда, при качении по асфальту?

Проведите опыт: прокатитесь по ровному асфальту на велосипеде с полностью накачанными колёсами, и с приспущенными¹ колёсами (не допускайте просадки до обода). На каком легче катиться?

Теперь давайте рассмотрим тормозную систему, на примере тормозов системы v-brake, как на данной фотографии.

Как можно видеть, торможение вращения колеса достигается за счёт прижимания тормозных колодок к ободу колеса. Чем сильнее прижимаются колодки к ободу, тем сильнее тормозится колесо. Это явление мы назовём трением скольжения. Как следует из нашего опыта, оно зависит от силы, прижимающей поверхности колодки и обода.

Давайте проведём следующий опыт: разгонитесь на велосипеде до небольшой скорости и затормозите только задним тормозом (не доводите до блокировки заднего колеса, чтобы не вызвать занос). А теперь смажьте обод заднего колеса машинным маслом с обеих сторон. Попробуйте повторить разгон и торможение. Если затормозить совсем не получается, воспользуйтесь передним тормозом. После окончания опыта, обезжирьте обод и обе колодки либо при помощи специального средства очистки тормозных механизмов, либо при помощи уайт-спирита.

Как мы можем заметить, сила торможения зависит не только от прижимающей силы, но и от взаимодействующих материалов.

Трение скольжения в данном опыте оказалась полезным.

Подумайте и ответьте, при катании на коньках, трение скольжения полезно или вредно?

Т еоретическое обоснование

Упрощённо, возникновение силы трения качения можно проиллюстрировать на следующей схеме. Горизонтальная составляющая F_т силы реакции опоры и составляет силу трения качения, направленную в сторону, противоположную направлению движения.

Силу трения качения можно вычислить по следующей формуле:

где

• {\displaystyle F_{t}}  – сила трения качения;

• f – коэффициент трения качения, имеющий размерность длины (в случае велосипеда, будет зависеть от многих параметров: типа шин (влияют рисунок протектора, сорт резины, ширина), давления в шинах, материала поверхности, по которой катится велосипед);

• R – радиус катящегося тела (в случае велосипеда, радиус колеса);

• N – прижимающая сила (например, вес велосипеда с наездником).

Возникновение трения скольжения можно объяснить следующими причинами: возникающими межмолекулярными связями (зависит от взаимодействующих материалов), шероховатостью взаимодействующих поверхностей.

Силу трения скольжения можно вычислить по следующей формуле:

где

•  – сила трения скольжения;

• µ – безразмерный коэффициент трения скольжения, зависящий от взаимодействующих материалов;

• N – прижимающая сила (вес).

Как мы можем видеть, сила трения скольжения, вопреки распространённому заблуждению, никак не зависит от площади взаимодействия предметов.

Вопросы-ответы

Вопрос: почему у спортивных автомобилей шины широкие, а у гражданских узкие.

Ответ: на практике мы можем заметить, что площади взаимодействия колёс автомобиля и велосипеда, гражданского и спортивного автомобилей существенно отличаются. Это обусловлено лишь прочностью взаимодействующих материалов покрышки и несущей поверхности (например, грунтовой). Как видно на фото, покрышки спортивных автомобилей интенсивно изнашиваются в ходе соревнований вследствие высоких нагрузок в пятне контакта.

Вопрос: почему у шоссейных велосипедов колёса узкие и гладкие, а у MTB (горный велосипед) или cross-country (внедорожный велосипед) широкие и «зубастые».

Ответ: обусловлено областью применения этих типов велосипедов. Узкие и гладкие покрышки шоссейного велосипеда обеспечивают с одной стороны низкий коэффициент трения качения, а с другой стороны хорошие сцепные свойства при торможении на асфальте. Широкие и «зубастые» покрышки MTB или cross-country обеспечивают надёжное сцепление даже на относительно слабо-несущем грунте (грязи, песке), но имеют повышенный коэффициент трения качения.

Вопрос: как проявляется трение, когда мы сидим в кресле.

Ответ: представьте ситуацию, что поверхность кресла изготовлена из материала с очень низким коэффициентом трения (подобно льду), и вы решили облокотиться на спинку кресла. Что произойдёт далее? Вы скатитесь с него на пол.

1^ Внимание! Нельзя ездить со приспущенными колёсами по пересечённой местности, так как многократно возрастает риск прокола покрышки и деформации обода колеса!