Сила трения над телом работу: Сила трения совершает над телом работу. Меняется ли при этом внутренняя энергия тела? По каким признакам можно судить об этом?

Содержание

Механическая работа и мощность • СПАДИЛО

Второй закон Ньютона в импульсной форме позволяет определить, как меняется скорость тела по модулю и направлению, если в течение некоторого времени на него действует определенная сила:

Работа силы

В механике также важно уметь вычислять изменение скорости по модулю, если при перемещении тела на некоторый отрезок на него действует некоторая сила. Воздействия на тела сил, приводящих к изменению модуля их скорости, характеризуется величиной, зависящей как от сил, так и от перемещений. Эту величину в механике называют работой силы.

Работа силы обозначается буквой А. Это скалярная физическая величина. Единица измерения — Джоуль (Дж).

Работа силы равна произведению модуля силы, модуля перемещения и косинусу угла между ними:

Важно!

Механическая работа совершается, если:

На тело действует сила.
Под действием этой силы тело перемещается.
Угол между вектором силы и вектором перемещения не равен 90 градусам (потому что косинус прямого угла равен нулю).

Внимание! Если к телу приложена сила, но под ее действием тело не начинает движение, механическая работа равна нулю.

Пример №1. Груз массой 1 кг под действием силы 30 Н, направленной вертикально вверх, поднимается на высоту 2 м. Определить работу, совершенной этой силой.

Так как перемещение и вектор силы имеют одно направление, косинус угла между ними равен единице. Отсюда:

Работа различных сил

Любая сила, под действием которой перемещается тело, совершает работу. Рассмотрим работу основных сил в таблице.

Работа силы тяжести

Модуль силы тяжести: F_тяж = mg

Работа силы тяжести: A = mgs cosα

Работа силы трения скольжения

Модуль силы трения скольжения: F_тр = μN = μmg

Работа силы трения скольжения: A = μmgs cosα

Работа силы упругости

Модуль силы упругости: F_упр = kx

Работа силы упругости:

Работа силы упругости

Работа силы упругости не может быть определена стандартной формулой, так как она может применяться только для постоянной по модулю силы. Сила же упругости меняется по мере сжатия или растяжения пружины. Поэтому берется среднее значение, равное половине суммы сил упругости в начале и в конце сжатия (растяжения):

Нужно также учесть, что перемещение тела под действием силы упругости равно разности удлинения пружины в начале и конце:

s = x₁ – x₂

Перемещение и направление силы упругости всегда сонаправлены, поэтому угол между ними нулевой. А косинус нулевого угла равен 1. Отсюда работа силы упругости равна:

Работы силы трения покоя

Работы силы трения покоя всегда равна 0, так как под действием этой силы тело не сдвигается с места. Исключение составляет случай, когда покоящееся тело лежит на подвижном предмете, на который действует некоторая сила. Относительно системы координат, связанной с подвижным предметом, работа силы трения покоя будет нулевой. Но относительно системы отсчета, связанной с Землей, эта сила будет совершать работу, так как тело будет двигаться, оставаясь на поверхности движущегося предмета.

Пример №2. Груз массой 100 кг волоком перетащили на 10 м по плоскости, поверхность которой имеет коэффициент трения 0,4. Найти работу, совершенной силой трения скольжения.

A = μmgs cosα = 0,4∙100∙10∙10∙(–1) = –4000 (Дж) = –4 (кДж)

Знак работы силы

Знак работы силы определяется только косинусом угла между вектором силы и вектором перемещения:

Если α = 0^о, то cosα = 1.
Если 0^о < α < 90^o, то cosα > 0.
Если α = 90^о, то cosα = 0.
Если 90^о < α < 180^o, то cosα < 0.
Если α = 180^о, то cosα = –1.

Работа силы трения скольжения всегда отрицательна, так как сила трения скольжения направлена противоположно перемещению тела (угол равен 180^о). Но в геоцентрической системе отсчета работа силы трения покоя будет отличной от нуля и выше нуля, если оно будет покоиться на движущемся предмете (см. рис. выше). В таком случае сила трения покоя будет направлена с перемещением относительно Земли в одну сторону (угол равен 0

о). Это объясняется тем, что тело по инерции будет пытаться сохранить покой относительно Земли. Это значит, что направление возможного движения противоположно движению предмета, на котором лежит это тело. А сила трения покоя направлена противоположно направлению возможного движения.

Геометрический смысл работы

Графическое определение

Механическая работа численно равна площади фигуры, ограниченной графиком с осями OF и OX.

A = S_фиг

Мощность

Определение

Мощность — физическая величина, показывающая, какую работу совершает тело в единицу времени. Мощность обозначается буквой N. Единица измерения: Ватт (Вт). Численно мощность равна отношению работы A, совершенной телом за время t:

Рассмотрим частные случаи определения мощности в таблице.

Мощность при равномерном прямолинейном движении тела	Работа при равномерном прямолинейном движении определяется формулой: A = F_тs F_т — сила тяги, s — перемещение тела под действием этой силы. Отсюда мощность равна:
Мощность при равномерном подъеме груза	Когда груз поднимается, совершается работа, по модулю равная работе силе тяжести. За перемещение в этом случае можно взять высоту. Поэтому:
Мгновенная мощность при неравномерном движении	Выше мы уже получили, что мощность при постоянной скорости равна произведению этой скорости на силу тяги. Но если скорость постоянно меняется, можно вычислить мгновенную мощность. Она равна произведению силы тяги на мгновенную скорость:
Мощность силы трения при равномерном движении по горизонтали	Мощность силы трения отрицательна так же, как и работа. Это связано с тем, что угол между векторами силы трения и перемещения равен 180^о (косинус равен –1). Учтем, что сила трения скольжения равна произведению силы нормальной реакции опоры на коэффициент трения:

Пример №3. Машина равномерно поднимает груз массой 10 кг на высоту 20 м за 40 с. Чему равна ее мощность?

Коэффициент полезного действия

Не вся работа, совершаемая телами, может быть полезной. В реальном мире на тела действует несколько сил, препятствующих совершению работы другой силой. К примеру, чтобы переместить груз на некоторое расстояние, нужно совершить работу гораздо большую, чем можно получить при расчете по формулам выше.

Определения:

Работа затраченная — полная работа силы, совершенной над телом (или телом).
Работа полезная — часть полной работы силы, которая вызывает непосредственно перемещение тела.
Коэффициент полезного действия
(КПД) — процентное отношение полезной работы к работе затраченной. КПД обозначается буквой «эта» — η. Единицы измерения эта величина не имеет. Она показывает эффективность работы механизма или другой системы, совершающей работу, в процентах.

КПД определяется формулой:

Работа может определяться как произведение мощности на время, в течение которого совершалась работа:

A = Nt

Поэтому формулу для вычисления КПД можно записать в следующем виде:

Частые случаи определения КПД рассмотрим в таблице ниже:

Устройство

Работа полезная и полная

КПД

Неподвижный блок, рычаг

A_полезн = mgh

А_{соверш.}

Наклонная плоскость

A_полезн = mgh

А_{соверш.}= Fl

l — совершенный путь (длина наклонной плоскости).

Пример №4. Определите полезную мощность двигателя, если его КПД равен 40%, а его мощность по паспорту равна 100 кВт.

В данном случае необязательно переводить единицы измерения в СИ. Но в таком случае ответ мы тоже получим в кВт. Из этой формулы выразим полезную мощность:

Задание EF17557 Какую мощность развивает сила тяги трактора, перемещая прицеп со скоростью 18 км/ч, если она составляет 16,5 кН? Ответ: а) 916 Вт б) 3300 Вт в) 82500 Вт г) 297000 Вт

Алгоритм решения

1.Записать исходные данные и перевести единицы измерения в СИ.

2.Записать формулу для расчета мощности.

3.Выполнить общее решение задачи.

4.Подставить известные данные и выполнить вычисления.

Решение

Запишем исходные данные:

• Сила тяги, перемещающая прицеп, равна: F_т = 16,5 кН.

• Скорость перемещения прицепа под действием силы тяги: v = 18 км/ч.

Переведем единицы измерения в СИ:

16,5 кН = 16,5∙10³ Н

18 км/ч = 18000/3600 м/с = 5 м/с

Мощность равна отношению работы ко времени, в течение которого эта работа совершалась:

N=At..

Но работа равна произведению силы, перемещения и косинуса угла между векторами силы и перемещения. В данном случае будем считать, что угол равен нулю, следовательно косинус — единице. Тогда работа равна:

A = Fs

Тогда мощность равна:

N=Fst..=Fv=16,5·103·5=82500 (Вт)

Ответ: в

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF17574

С вершины наклонной плоскости из состояния покоя скользит с ускорением лёгкая коробочка, в которой находится груз массой m (см. рисунок). Как изменятся время движения, ускорение и модуль работы силы трения, если с той же наклонной плоскости будет скользить та же коробочка с грузом массой m/2? Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличится

2) уменьшится

3) не изменится

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Время движения	Ускорение	Модуль работы силы трения
.	.	.

Алгоритм решения

1.Установить наличие и характер зависимости кинематических характеристик движения от массы тела.

2.Вывести формулу для модуля работы силы трения.

3.Установить, как изменится модуль работы силы трения при уменьшении массы тела вдвое.

Решение

При скольжении с наклонной плоскости происходит равноускоренное движение. Положение тела в любой момент времени при таком движении можно определить с помощью кинематических уравнений:

x=xo+v0xt+axt22..

y=yo+v0yt+ayt22..

Из этих уравнений видно, что ускорение и время никак не зависят от массы тела. Следовательно, при уменьшении массы тела в 2 раза его время движения и ускорение не изменятся.

Чтобы выразить модуль работы силы трения, выберем такую систему отсчета, чтобы вектор силы трения был расположен вдоль оси Ox.Тогда сила трения будет равна:

F_тр = μmg

Известно, что работа определяется формулой:

A = Fs cosα

Тогда работа силы трения равна:

A = μmgs cosα

Вектор силы трения всегда направлен противоположно вектору перемещения. Поэтому косинус угла между ними равен –1. Но нас интересует только модуль работы. Поэтому будем считать, что он равен:

A = μmgs

Модуль работы силы трения и масса тела зависят прямо пропорционально. Следовательно, если массу тела уменьшить вдвое, то и модуль работы силы трения уменьшится вдвое.

Поэтому правильная последовательность цифр в ответе: 332.

Ответ: 332

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF18646

В первой серии опытов брусок перемещают при помощи нити равномерно и прямолинейно вверх по наклонной плоскости. Во второй серии опытов на бруске закрепили груз, не меняя прочих условий.

Как изменятся при переходе от первой серии опытов ко второй сила натяжения нити и коэффициент трения между бруском и плоскостью?

Для каждой величины определите соответствующий характер её изменения:

1) увеличится 2) уменьшится 3) не изменится

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждого ответа. Цифры в ответе могут повторяться.

Сила натяжения нити	Коэффициент трения

Алгоритм решения

Определить, какая величина изменилась во второй серии опытов.
Определить, как зависит от этой величины сила натяжения нити.
Определить, как зависит от этой величины коэффициент трения.

Решение

Когда к бруску подвесили груз, увеличилась масса. Когда тело на нити перемещается вверх прямолинейно и равномерно, сила натяжения нити определяется модулем силы тяжести:

T = mg

Эта формула показывает, что сила натяжения нити и масса тела зависят прямо пропорционально. Если, добавив к бруску груз, масса увеличится, то сила натяжения нити тоже увеличится.

Коэффициент трения — это величина, которая зависит только от материалов и типа поверхности. Поэтому увеличение массы тела на него никак не повлияют.

Верная последовательность цифр в ответе: 13.

Ответ: 13

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF18271 Определите коэффициент полезного действия атомной электростанции, расходующей за неделю уран-235 235.92U массой 1,4 кг, если её мощность равна 38 МВт. При делении одного ядра урана-235 выделяется энергия 200 МэВ.

Алгоритм решения

1.Записать исходные данные и перевести их в СИ.

2.Записать формулу для определения КПД атомной электростанции.

3.Решить задачу в общем виде.

4.Подставить известные данные и вычислить искомую величину.

5.Массовое число: A = 235.

6.Зарядовое число: Z = 92.

Решение

Запишем исходные данные:

• Энергия, выделяемая при делении одного ядра урана-235: Q₀ = 200 МэВ.

• Масса урана-235: m = 1,4 кг.

• Время, в течение которого происходит деление: t = 1 неделя.

• Мощность атомной электростанции: N = 38 МВт.

Переведем все единицы измерения в СИ:

1 эВ = 1,6∙10^–19 Дж

200 МэВ = 200∙10⁶∙1,6∙10^–19 Дж = 320∙10^–13 Дж

1 неделя = 7∙24∙60∙60 с = 604,8∙10³с

38 МВт = 38∙10⁶ Вт

КПД атомной электростанции есть отношение полезной работы к выделенной за это же время энергии:

η=AполезнQ..100%

Полезную работу мы можем вычислить по формуле:

A=Nt

Выделенное количество теплоты мы можем рассчитать, вычислив количество атомов, содержащихся в 1,4 кг урана-235 и умножив их на энергию, выделяемую при делении одного такого атома.

Количество атомов равно произведению количество молей на постоянную Авогадро:

N_{кол. атомов} = νN_A

Количество молей равно отношения массы вещества к его молярной массе, следовательно:

Молярная масса численно равна массовому числу в граммах на моль. Следовательно:

M = A (г/моль) = A∙10^–3 (кг/моль)

Отсюда количество атомов равно:

Энергия, выделенная всеми атомами, равна:

Теперь можем вычислить КПД:

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Алиса Никитина | Просмотров: 12.2k

Способы изменения внутренней энергии 8 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Введение

Мы постоянно сталкиваемся с тепловыми явлениями: зимой надеваем теплую одежду, чтобы не замерзнуть; греемся горячим чаем или сидя возле батареи. Летом обмахиваемся веером, когда нам жарко; бросаем кубики льда в воду, чтобы та остыла. В каждом из этих процессов происходит изменение внутренней энергии тел.

Вспомним, что внутренняя энергия тела состоит из потенциальной и кинетической энергии его молекул.

Начнем передавать телу энергию. Если тело при этом переходит из одного агрегатного состояния в другое, например, лед плавится и превращается в воду (см. рис. 1), то это означает, что изменяется потенциальная энергия молекул (кинетическая энергия при этом не меняется – температура не растет).

Если же тело нагревается (увеличивается температура тела) – это следствие увеличения кинетической энергии молекул (см. рис. 2).

Переданная при этом телу энергия идет на увеличение как потенциальной энергии (расстояние между молекулами увеличивается), так и кинетической (температура растет) (см. рис. 3).

Сегодня мы остановимся на вопросе, как именно можно передать телу энергию, каким образом она сообщается телу.

Как можно передать энергию молекуле? Можно выделить два основных способа: первый назовем механическим – это совершение механической работы (см. рис. 4).

Второй способ, который принципиально отличается от механического, – электромагнитное излучение, о нем мы поговорим чуть позже (см. рис. 5).

Способы изменения внутренней энергии

Поговорим о механическом способе: чтобы передать молекуле энергию, нужно, чтобы с ней столкнулась более быстрая молекула (обладающая большей кинетической энергией) (см. рис. 6).

Рассмотрим такой пример: человек держит чашку с горячим чаем. Рассмотрим место контакта чашки с рукой. Частицы чашки непрерывно движутся, сталкиваются с частицами кожи и передают им часть кинетической энергии. Внутренняя энергия кожи повышается, и мы чувствуем тепло (см. рис. 7).

Такой способ изменения внутренней энергии называется теплопроводностью.

Согреть руки можно и по-другому: подставить их под струю воздуха из тепловентилятора (см. рис. 8).

Механизм такой же: молекулы воздуха сталкиваются с молекулами, из которых состоит кожа, и передают им часть энергии.

Но как молекула с большей энергией оказалась возле кожи? В случае с чашкой ее молекулы передавали энергию «по цепочке», сталкиваясь с соседними молекулами. Нагретый воздух переместился сам, то есть энергия перенеслась вместе с самим веществом – воздухом. Такой случай, когда энергия переносится вместе с самим веществом, рассматривают как отдельный вид теплопередачи. Его назвали конвекцией (и можно считать частным случаем теплопроводности).

Согреть руки можно и без источника тепла, просто потерев их одна о другую (см. рис. 9).

Как и в предыдущих случаях, частицы взаимодействуют между собой и передают энергию. Но в этом случае взаимодействие частиц мы можем описать с помощью силы – силы трения (см. рис. 10).

Сила трения выполняет работу , и это увеличивает внутреннюю энергию кожи рук. Таким образом, выполнение работы – это еще один способ изменить внутреннюю энергию тела.

Описанные способы изменения энергии связаны со столкновением частиц. А как мы получаем энергию от Солнца? Земля и Солнце не контактируют, от Солнца не исходит поток горячего воздуха, как от тепловентилятора. Если здесь, на Земле, мы окружены воздухом, то космический корабль находится в безвоздушном пространстве и все равно нагревается (см. рис. 11).

Рис. 11. Космический корабль в безвоздушном пространстве

Здесь задействован отдельный механизм передачи энергии, для которого не нужен контакт с веществом. Этот способ назвали излучением (см. рис. 12).

Энергия передается между частицами с помощью электромагнитных волн. Одна частица излучает эти волны, волны несут в себе энергию. Другая частица поглощает излучение и получает эту энергию (см. рис. 5). Подробнее об электромагнитных волнах вы узнаете позже.

Мы узнали о различных способах изменения внутренней энергии. Эти способы удобно классифицировать следующим образом:

-за счет выполнения механической работы;

-за счет передачи тепла от более нагретого тела к менее нагретому – этот способ назвали теплопередачей.

А теплопередачу можно осуществить тремя способами: это теплопроводность, конвекция (поговорили, что между ними общего и почему их рассматривают отдельно) и излучение.

Механическая работа

Работа может быть выполнена над телом, в этом случае его внутренняя энергия увеличивается. Например, на тормозящий автомобиль действует сила трения. Она выполняет работу, внутренняя энергия шин увеличивается. Этому есть подтверждение – если после экстренной остановки автомобиля потрогать его шины, они будут сильно нагреты (см. рис. 13).

Рис. 13. Экстренная остановка

Они даже немного плавятся, поэтому и оставляют следы торможения на дороге. Есть и другие примеры.

— Работу может выполнять сила сопротивления воздуха. Из-за этого в атмосфере нагреваются и даже могут сгорать метеориты. Иногда мы слышим в новостях о спутниках: «Сгорел в верхних слоях атмосферы» (см. рис. 14).

— Работа, выполненная силами при неупругих деформациях и столкновениях, увеличивает внутреннюю энергию. Это вы можете заметить, если будете сгибать и разгибать проволоку: прежде чем сломаться, место сгиба нагреется (см. рис. 15).

Примеры нагревания при трении

Известна история о французском летчике времен Первой мировой войны, который во время полета поймал рукой немецкую пулю. Это вполне возможно (см. рис. 16): пуля со временем теряет скорость и может двигаться с такой же скоростью, что и самолет.

Если они при этом летят в одном направлении, то друг относительно друга они неподвижны. На что мы обратим внимание, говоря о тепловых явлениях, – пуля из-за трения о воздух сильно нагревается. Поэтому, если бы летчик поймал ее голыми руками, то получил бы ожог.

Горки в аквапарке поливают водой, чтобы уменьшить трение между горкой и кожей (см. рис. 17).

Рис. 17. Уменьшение силы трения

Это нужно не только для того, чтобы нам веселее было съезжать с большей скоростью. Без воды из-за работы силы трения выделилось бы тепло, достаточное для ожога.

Тепло, которое выделяется при трении, используют даже для сварки металлов (https://www.youtube.com/watch?v=4jQEmMqiL7o).

Бобслеисты надевают под комбинезон противоожоговую рубашку. Дело все в том, что они спускаются с горы с очень большой скоростью, более 100 км/ч, и если боб перевернется, то спортсмен будет скользить по льду на спине или животе. А от трения о лед может выделиться достаточное количество теплоты, чтобы получить сильный ожог.

При выполнении работы над телом его энергия увеличивается. Если же само тело выполняет работу, его внутренняя энергия будет уменьшаться. Так, при расширении газ выполняет работу и его внутренняя энергия уменьшается. На этом принципе основана работа углекислотного огнетушителя: углекислый газ, покидая огнетушитель под давлением, расширяется и охлаждается до –70 ℃ (см. рис. 18).

Рис. 18. Работа огнетушителя

Поэтому при использовании огнетушителя нельзя прикасаться к металлическому раструбу – можно получить обморожение.

Виды теплопередачи

Рассмотрим различные виды теплопередачи.

С помощью теплопроводности энергия может передаваться от одного тела к другому, а может и внутри одного тела. Обязательное условие при этом – разность температур. Если взять два тела разной температуры и сделать так, чтобы они соприкасались, то энергия будет передаваться от более нагретого тела к менее нагретому (см. рис. 19).

Если нагревать один край железного стержня, то тепло будет передаваться к другому его краю (см. рис. 20).

В итоге весь стержень нагреется, но один край нагреется позже. При этом чем больше разность температур, тем быстрее происходит теплопередача.

Как долго держать подмышкой термометр?

Когда мы болеем, то измеряем температуру тела. Самые распространенные термометры – ртутные (см. рис. 21).

Рис. 21. Ртутный термометр

Как долго нужно с ними сидеть? Вы наверняка слышали разные варианты ответов: 5 минут, 10, 7. Какой правильный? Давайте разберемся.

Чтобы термометр показал температуру тела, он должен нагреться до этой температуры. Как только мы взяли термометр при комнатной температуре, между ним и телом начинается теплопередача через теплопроводность (см. рис. 22).

Разность температур сначала может достигать 15 градусов, поэтому теплопередача протекает быстро, и через 5 минут его температура может отличаться от температуры тела на несколько десятых градуса. Такой точности достаточно, чтобы понять, болен ли человек. Оставим термометр еще на 5 минут. Разность температур мала, скорость теплопередачи мала, и за это время термометр нагреется еще на пару десятых градуса. То есть он покажет температуру немного точнее, чем после первых пяти минут.

Поэтому, когда мы выбираем время измерения температуры, речь идет о точности в десятые доли градуса. А основная часть тепла передается за первые минут пять.

Разные вещества по-разному передают тепло: одни хорошо, другие плохо. Так, обычно металлы хорошо проводят тепло, или говорят, «обладают хорошей теплопроводностью» (см. рис. 19). А дерево, наоборот, имеет плохую теплопроводность (см. рис. 23).

Почему у металлов высокая теплопроводность?

Ученые заметили, что высокой теплопроводностью обладают вещества, которые хорошо проводят ток. Нам еще предстоит подробно изучить, что такое электрический ток, но пока остановимся на базовых вещах. Что объединяет проводники электрического тока? В них есть заряженные частицы, которые свободно перемещаются в веществе, и, если приложить к проводнику напряжение, эти частицы будут двигаться направленно (см. рис. 24).

В металлах такие свободные заряженные частицы – это электроны, которые оторвались от атомов (обычно по одному-два от каждого атома) (см. рис. 25).

Рис. 25. Металлы

Будем считать, что электрическое притяжение электрона к атому не влияет на их движение, электроны свободны.

Обратим внимание: в металлах есть свободные электроны, и металлы хорошо проводят тепло (см. рис. 20) – это может быть как-то связано?

Масса электрона примерно в 56 000 раз меньше массы атома железа (берем в качестве примера), но скорость движения электрона в сотни раз больше скорости перемещения атома. Скорость в формуле для кинетической энергии возводится в квадрат, а электрона в десятки тысяч раз больше, чем атома. Так что электрон обладает кинетической энергией , сопоставимой с кинетической энергией атома, и может при столкновении передавать ему энергию. Получается, свободные электроны могут участвовать в процессе теплопроводности.

Есть кусок металла, который локально подогревается, в этом месте увеличилась кинетическая энергия частиц, в том числе свободных электронов (см. рис. 26).

Электроны хаотично движутся с большой скоростью, поэтому часть из них оказывается в ненагретой части металла и там сталкивается с частицами вещества, передавая им часть энергии. Это не направленный поток быстрых электронов, это самопроизвольное «перемешивание» электронов при хаотичном движении внутри вещества, подобное диффузии. И более медленные электроны, оказавшись в нагреваемой области вещества, при столкновениях увеличивают свою кинетическую энергию и могут так же попасть в ненагретую область и отдать там энергию.

Конечно, перенос энергии электронами происходит не мгновенно: хоть их скорость и велика, они постоянно сталкиваются друг с другом, с атомами, что замедляет их «перемешивание». И передача энергии от соседнего атома к соседнему тоже никуда не исчезает. Но все равно с помощью свободных электронов теплота в проводниках передается в несколько раз быстрее, чем от атома к атому.

В остальных веществах такого дополнительного механизма передачи энергии нет, и их теплопроводность ниже.

Но, даже не задумываясь о причинах, это можно использовать.

Ручки сковородок обычно делают из дерева или из других материалов с плохой теплопроводностью. Если бы они были металлическими, то из-за теплопроводности тепло быстро бы передалось к ручке и о нее можно было бы обжечься.

У воздуха, если в нем нет потоков, которые приводят к возникновению конвекции, теплопроводность мала, поэтому прослойка неподвижного воздуха между стеклами в окне – хороший теплоизолятор. А если поставить третье стекло, то таких прослоек воздуха будет две – теплоизоляция улучшится (см. рис. 27).

Рис. 27. Двойной стеклопакет

Заметьте: здесь не так важен третий слой стекла, как вторая прослойка воздуха.

Мы говорили, что конвекция возникает вследствие перемещения вещества. Когда же оно может возникнуть? Его можно создать искусственно – перемешать чай в чашке; включить тепловентилятор. В чашке мы создали движение чая, более холодные и более теплые слои чая перемешались и передали друг другу тепло, как при теплопроводности. Направленное движение воздуха в комнате вызывается вентилятором (см. рис. 28).

Рис. 28. Работа вентилятора

Теплый воздух нагревается внутри вентилятора, а затем переносится с помощью конвекции по дому.

Кроме того, конвекция может происходить и по естественным причинам. Например, из-за действия силы тяжести и силы Архимеда. Холодный воздух тяжелее теплого (плотность теплого воздуха меньше, так как молекулы дальше друг от друга), поэтому он будет опускаться вниз, а горячий – подниматься и переносить тепло вверх (см. рис. 29).

Это называется естественной конвекцией. Теперь мы можем объяснить, почему батареи ставят в нижней части комнаты. Ведь тогда из-за естественной конвекции тепло будет распространяться по всей комнате (см. рис. 30).

А вот кондиционеры крепят вверху, под самым потолком, ведь обычно их используют для охлаждения помещений (см. рис. 31).

Холодный воздух будет опускаться вниз, и температура понизится во всей комнате. Использовать же кондиционер на обогрев менее эффективно (см. рис. 32).

Рис. 32. Работа на обогрев

Теплый воздух остается вверху. Вниз передача возможна только благодаря теплопроводности, но воздух тепло проводит плохо. Поэтому греться от кондиционера получится, если направить поток воздуха прямо на себя.

Конвекция в жидкости

Аналогично происходит естественная конвекция и в жидкости. Поэтому греть воду выгодно снизу: конфорка плиты, нагреватель в электрочайнике находятся под водой, которую мы греем. Нижний слой нагревается, начинает подниматься вверх (см. рис. 33).

Внизу оказывается холодный слой, который нагревается плиткой и тоже поднимается вверх. И так далее. В итоге вся вода прогревается практически равномерно.

Но надо учесть, что чем более вязкая жидкость, тем затруднительнее перемешивать ее слои за счет силы Архимеда (см. рис. 34).

И естественная конвекция будет менее интенсивной. Поэтому при варке каши или киселя их периодически помешивают – создают искусственную конвекцию.

Если этого не сделать, то нижняя часть каши сильно нагреется, а верхняя останется холодной. Возникнет разница температур, и увеличится передача теплоты между слоями вследствие теплопроводности. Но если теплопроводность вещества плохая, то тепло не будет успевать передаваться от более нагретых слоев к менее нагретым и нижние слои могут подгореть (см. рис. 35).

В вязких жидкостях конвекция слабая, а в твердом теле конвекции вообще нет – вещество не перемешивается. Поэтому основную роль в передаче тепла играет теплопроводность. Но если у твердого тела плохая теплопроводность, оно может не успеть передать тепло. Тогда между различными частями тела возникнет большой перепад температур. Вспомним, что при увеличении температуры тела расширяются. То есть нагретая часть тела расширится, а холодная останется прежней (см. рис. 36).

Рис. 36. Расширения нагретых тел

В твердых телах это может привести к разрушению тела. Так иногда лопается холодный стакан, если в него налить кипяток (см. рис. 37).

Рис. 37. Разрушение стакана

Излучение

Рассмотрим третий способ теплопередачи – излучение. Чаще всего мы сталкиваемся с излучением света от Солнца. Разные тела по-разному поглощают свет. Мы видим отраженный от тел свет, поэтому чем больше тело поглощает свет, тем более темным мы его видим. Такое тело получает больше энергии. На даче бак с водой для летнего душа часто красят в темный цвет, чтобы он сильнее нагревался на солнце (см. рис. 38).

Рис. 38. Черный цвет бака

Белые и зеркальные тела, наоборот, в основном отражают свет, а не поглощают. Поэтому они нагреваются меньше. Соответственно, зимой лучше носить темные вещи, а летом – светлые. Тогда зимой ваша одежда будет получать больше тепла от излучения, а летом, наоборот, меньше (см. рис. 39).

Рис. 39. Выбор цвета вещей

Не только Солнце передает тепло излучением: мы чувствуем тепло от лампочки, костра, инфракрасного обогревателя (см. рис. 40).

Рис. 40. Передача тепла

Вообще любой предмет передает тепло через излучение, причем интенсивность передачи зависит от температуры этого тела. Для большинства тел их излучением можно пренебречь. Оно заметно только при больших температурах.

Мы упомянули тепловое излучение от костра. Сидя возле костра, вы чувствуете тепло. Не передается ли теплота через теплопроводность или конвекцию, ведь между нами и костром есть еще и воздух? Давайте разберемся.

Теплопроводность в костре есть: тлеющие угли и поленья передают тепло окружающему воздуху (см. рис. 41).

Рис. 41. Теплопроводность костра

Но воздух плохо проводит тепло, поэтому посредством теплопроводности теплота распространялась бы в нашу сторону очень медленно.

Рассмотрим потоки воздуха. Мы уже знаем, что теплый воздух поднимается вверх. Поэтому если греть руки над костром, решающую роль будет играть конвекция. А вот если сидеть возле костра, нас будет обдувать скорее холодный воздух извне костра (см. рис. 42).

Получается, что греемся мы как раз благодаря третьему виду теплопередачи – излучению.

Итоги

Мы с вами рассмотрели много примеров, когда тепло передается от одних тел к другим. При этом изменяется их внутренняя энергия. Но есть случаи, когда нужно избежать изменения энергии. Одним из приборов, которые препятствуют теплопередаче, является термос. Если вы налили в него чай – вы хотите, чтобы он остался горячим.

Зная об особенностях различных видов теплопередачи, мы можем объяснить, как их избежать или уменьшить их эффективность (см. рис. 43).

1) Теплопроводность. Термос состоит из двух чаш, чаще всего стеклянных, между которыми очень разреженный воздух. Воздух имеет плохую теплопроводность, а разреженный тем более (см. рис. 44).

Рис. 44. Защита от теплопередачи

Это и защищает от данного вида теплопередачи.

2) Конвекция. При конвекции тепло переносится движением вещества. Термос очень плотно закрывается – это и защищает термос от движения воздуха из него и внутрь него. То есть защищает от конвекции (см. рис. 45).

3) Излучение. Горячий чай, как и все тела, излучает тепло. Поэтому внутренняя поверхность термоса делается зеркальной – тогда излученной тепло отражается обратно внутрь термоса (см. рис. 46).

Если же летом нужно оставить воду в термосе холодной, нужно избежать нагревания от излучения Солнца. Поэтому внешняя часть термоса также зеркальна.

Шуба как разновидность термоса

Наверное, многие слышали споры о том, греет ли шуба. На первый взгляд, кажется, что греет – мы ее для этого и носим. Но на самом деле она не позволяет нашему телу терять тепло, как термос не дает остывать чаю (см. рис. 47).

Рис. 47. Шуба как термос

Даже принцип изоляции похож: в термосе важную роль играет прослойка газа под низким давлением в колбе, а в шубе – прослойка воздуха, которая удерживается мехом. В обоих случаях теплопроводность прослойки невысокая.

Если мы обернем в шубу кусок льда, он долго не будет таять из-за той же теплоизоляции. А в жарких странах часто носят теплые халаты под палящим солнцем. Конечно, люди в них не греются, а, наоборот, изолируют свое тело от окружающего нагретого воздуха.

Сегодня мы с вами разобрали способы изменения внутренней энергии. На этом урок закончен, спасибо за внимание!

Список литературы

Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. – 2-е издание, передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
А. В. Перышкин. Физика 8 кл.: учеб. Для общеобразоват. Учреждений – М.: Дрофа, 2013. – 237 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Интернет-сайт «Объединение учителей Санкт-Петербурга» (Источник)
Интернет-сайт «Класс!ная физика» (Источник)
Интернет-сайт «Класс!ная физика» (Источник)

Домашнее задание

Какие вы знаете способы изменения внутренней энергии?
Что лучше проводит тепло: кусок металла или кусок дерева?
Почему в жаркий летний день желательно надевать боле светлые вещи, чем темные, а зимой наоборот?

6.

6 Трение – биомеханика движения человека

Резюме

Обсудите общие характеристики трения.
Описать различные виды трения.
Рассчитайте величину статического и кинетического трения.

Трение — это сила, постоянно присутствующая вокруг нас, которая противодействует относительному движению между контактирующими системами, но также позволяет нам двигаться (что вы обнаружили, если когда-либо пытались ходить по льду). Хотя трение является обычной силой, поведение трения на самом деле очень сложное и до сих пор полностью не изучено. Мы должны в значительной степени полагаться на наблюдения для любого понимания, которое мы можем получить. Однако мы все еще можем иметь дело с его более элементарными общими характеристиками и понять обстоятельства, в которых он ведет себя.

ТРЕНИЕ

Трение – это сила, противодействующая относительному движению между контактирующими системами.

Одной из самых простых характеристик трения является то, что оно параллельно поверхности контакта между системами и всегда в направлении, противодействующем движению или попытке движения систем друг относительно друга. Если две системы находятся в контакте и движутся относительно друг друга, то трение между ними называется кинетическим трением . Например, трение замедляет скольжение хоккейной шайбы по льду. Но когда объекты неподвижны, между ними может действовать статическое трение ; статическое трение обычно больше, чем кинетическое трение между объектами.

КИНЕТИЧЕСКОЕ ТРЕНИЕ

Если две системы находятся в контакте и движутся относительно друг друга, то трение между ними называется кинетическим трением.

Представьте, например, что вы пытаетесь сдвинуть тяжелый ящик по бетонному полу — вы можете давить на ящик все сильнее и сильнее и не двигать его вообще. Это означает, что статическое трение реагирует на то, что вы делаете — оно увеличивается, чтобы быть равным вашему толчку и в противоположном направлении. Но если вы, наконец, нажмете достаточно сильно, ящик, кажется, внезапно соскользнет и начнет двигаться. Находясь в движении, его легче поддерживать в движении, чем было запустить, что указывает на то, что кинетическая сила трения меньше, чем статическая сила трения. Если вы добавляете массу к ящику, скажем, кладете на него коробку, вам нужно давить еще сильнее, чтобы он начал двигаться, а также чтобы он продолжал двигаться. Кроме того, если вы смазаете бетон маслом, вам будет легче запустить ящик и поддерживать его в рабочем состоянии (как и следовало ожидать).

Рисунок 1 представляет собой грубое графическое представление того, как возникает трение на границе раздела двух объектов. При ближайшем рассмотрении этих поверхностей видно, что они шероховатые. Поэтому, когда вы нажимаете, чтобы заставить объект двигаться (в данном случае ящик), вы должны поднимать объект до тех пор, пока он не сможет прыгать вместе с ударами только кончиками поверхности, отламывать точки или делать и то, и другое. Значительной силе можно сопротивляться трением без видимого движения. Чем сильнее прижимаются поверхности друг к другу (например, если на ящик кладут еще одну коробку), тем больше усилий требуется для их перемещения. Часть трения обусловлена силами сцепления между поверхностными молекулами двух объектов, которые объясняют зависимость трения от природы веществ. Адгезия зависит от контактирующих веществ и представляет собой сложный аспект физики поверхности. Когда объект движется, становится меньше точек соприкосновения (меньше прилипающих молекул), поэтому для удержания объекта в движении требуется меньшее усилие. При малых, но отличных от нуля скоростях трение почти не зависит от скорости.

Рисунок 1. Силы трения, такие как f , всегда препятствуют движению или попытке движения между соприкасающимися объектами. Трение возникает отчасти из-за шероховатости соприкасающихся поверхностей, как видно на увеличенном виде. Для того чтобы объект двигался, он должен подняться туда, где пики могут проскакивать по нижней поверхности. Таким образом, сила требуется только для того, чтобы привести объект в движение. Некоторые из пиков будут сломаны, что также потребует силы для поддержания движения. На самом деле большая часть трения возникает из-за сил притяжения между молекулами, составляющими два объекта, так что даже идеально гладкие поверхности не лишены трения.

Такие силы сцепления также зависят от веществ, из которых сделаны поверхности, что объясняет, например, почему обувь с резиновой подошвой скользит меньше, чем обувь с кожаной подошвой.

Величина силы трения имеет две формы: одна для статических ситуаций (статическое трение), другая для движения (кинетическое трение).

Когда между объектами нет движения, величина статического трения f _s равна

[латекс]\boldsymbol{f _{\textbf{s}}\leq\mu _{\textbf{s}}\:N,}[/latex]

где μ _s — коэффициент трения покоя, а N — величина нормальной силы (силы, перпендикулярной поверхности).

ВЕЛИЧИНА СТАТИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ

Величина статического трения f _s is

[латекс]\boldsymbol{f _{\textbf{s}}\leq\mu_ {\ textbf {s}} \: N,}[/latex]

, где μ _s — коэффициент трения покоя, а N — величина нормальной силы.

Символ ≤ означает меньше или равно , что означает , что статическое трение может иметь минимальное и максимальное значение μ _с N . Статическое трение — это реактивная сила, которая увеличивается, чтобы быть равной и противоположной любой приложенной силе, вплоть до своего максимального предела. Как только приложенная сила превысит f _s(max) , объект начнет двигаться. Таким образом,

[латекс]\boldsymbol{f _{\textbf{s(max)}}=\mu _{\textbf{s}}N}.[/latex]

Когда объект движется, величина кинетического трения f _k определяется как

[латекс]\boldsymbol{f_{\textbf{k}}=\mu_{\textbf{k}}N},[/latex]

, где μ _k — коэффициент кинетического трения. Система, в которой f _k = μ _k N описывается как система, в которой трение ведет себя просто .

ВЕЛИЧИНА КИНЕТИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ

Величина кинетического трения f _k определяется выражением

[латекс]\boldsymbol{f_{\textbf{k}}=\mu_{\textbf{k}}N},[/latex ]

где μ _k — коэффициент кинетического трения.

Как видно из таблицы 1, коэффициенты кинетического трения меньше, чем их статические аналоги. То, что значения μ в таблице 1 указаны только с одной или, самое большее, с двумя цифрами, является указанием на приблизительное описание трения, данное двумя приведенными выше уравнениями.

[латекс]\textbf{Система}[/латекс]	[латекс]\textbf{Статическое трение}\boldsymbol{\mu _{\textbf{s}}}[/латекс]	[латекс]\textbf{Кинетическое трение}\boldsymbol{\mu _{\textbf{k}}}[/латекс]
Резина на сухом бетоне	1,0	0,7
Резина на мокром бетоне	0,7	0,5
Дерево на дереве	0,5	0,3
Вощеная древесина на мокром снегу	0,14	0,1
Металл на дереве	0,5	0,3
Сталь по стали (сухая)	0,6	0,3
Сталь по стали (промасленный)	0,05	0,03
Тефлон на стали	0,04	0,04
Кость, смазанная синовиальной жидкостью	0,016	0,015
Туфли на дереве	0,9	0,7
Обувь для льда	0,1	0,05
Лед на льду	0,1	0,03
Сталь на льду	0,4	0,02
Таблица 1. Коэффициенты статического и кинетического трения.

Приведенные ранее уравнения включают зависимость трения от материалов и нормальную силу. Направление трения всегда противоположно движению, параллельно поверхности между объектами и перпендикулярно нормальной силе. Например, если ящик, который вы пытаетесь толкнуть (с усилием, параллельным полу), имеет массу 100 кг, то нормальная сила будет равна его весу, Вт = мг = (100 кг)(9,80 м/с ² ) = 980 Н , перпендикулярно полу. Если коэффициент статического трения равен 0,45, для перемещения вам придется приложить силу, параллельную полу, большую, чем ящик. Когда есть движение, трение меньше, а коэффициент кинетического трения может быть 0,30, так что сила всего 290 Н ( f _k = μ _k Н = (0,30)(980 Н) = 290 Н ) будет поддерживать его движение с постоянной скоростью. Если пол смазан, оба коэффициента значительно меньше, чем без смазки. Коэффициент трения – это безразмерная величина, величина которой обычно находится в диапазоне от 0 до 1,0. Коэффициент трения зависит от двух соприкасающихся поверхностей.

Многие люди испытывают скользкость при ходьбе по льду. Однако многие части тела, особенно суставы, имеют гораздо меньший коэффициент трения — часто в три-четыре раза меньше, чем лед. Сустав образован концами двух костей, которые соединены толстыми тканями. Коленный сустав образован костью голени (голенью) и бедренной костью (бедренной костью). Тазобедренный сустав представляет собой шаровидный (на конце бедренной кости) и впадинный (часть таза) сустав. Концы костей в суставе покрыты хрящом, что обеспечивает гладкую, почти стекловидную поверхность. Суставы также вырабатывают жидкость (синовиальную жидкость), которая уменьшает трение и износ. Поврежденный или пораженный артритом сустав можно заменить искусственным суставом (рис. 2). Эти заменители могут быть изготовлены из металлов (нержавеющая сталь или титан) или пластмассы (полиэтилен), также с очень низкими коэффициентами трения.

Рисунок 2. Искусственная замена коленного сустава — это процедура, которая проводится уже более 20 лет. На этом рисунке мы видим послеоперационные рентгеновские снимки замены правого коленного сустава. (Фото: Майк Бэрд, Flickr)

Другие природные смазки включают слюну, вырабатываемую во рту, чтобы помочь в процессе глотания, и скользкую слизь, находящуюся между органами в теле, позволяющую им свободно перемещаться друг мимо друга во время сердцебиения, во время дыхания, и когда человек двигается. Искусственные смазки также распространены в больницах и поликлиниках. Например, при ультразвуковой визуализации гель, соединяющий датчик с кожей, также служит для смазывания поверхности между датчиком и кожей, тем самым снижая коэффициент трения между двумя поверхностями. Это позволяет датчику свободно перемещаться по коже.

Пример 1. Упражнение на лыжах

Лыжник массой 62 кг скользит по заснеженному склону. Найдите коэффициент кинетического трения для лыжника, если известно, что трение равно 45,0 Н.

Стратегия

Величина кинетического трения равна 45,0 Н. Кинетическое трение связано с нормальной силой Н как f _k = μ _k N ; таким образом, коэффициент кинетического трения можно найти, если мы сможем найти нормальную силу лыжника на склоне. Нормальная сила всегда перпендикулярна поверхности, а поскольку движение перпендикулярно поверхности отсутствует, нормальная сила должна равняться составляющей веса лыжника, перпендикулярной склону. (См. диаграмму «лыжник и свободное тело» на рис. 3.)

Рис. 3. Движение лыжника и трение параллельны склону, поэтому удобнее всего спроецировать все силы на систему координат, где одна ось параллельна склону, а другая перпендикулярна (оси показаны слева лыжника). Н (нормальная сила) перпендикулярна склону, а f (трение) параллельно склону, но w (вес лыжника) имеет составляющие по обеим осям, а именно w _⊥ 92)(0,906)}}\boldsymbol{=\:0,082. }[/latex]
Обсуждение
Этот результат немного меньше коэффициента, приведенного в табл. 1 для вощеной древесины на снегу, но все же разумно, так как значения коэффициентов трения могут сильно различаться. В подобных ситуациях, когда объект массой м скользит по склону, составляющему угол θ с горизонтом, трение определяется выражением f _k = μ _k мг cos θ . В этих условиях все объекты будут скользить вниз по склону с постоянным ускорением. Доказательство этого оставлено для задач и упражнений этой главы.
Мы обсудили, что, когда объект покоится на горизонтальной поверхности, существует нормальная сила, поддерживающая его, равная по величине его весу. Кроме того, простое трение всегда пропорционально нормальной силе.
ИССЛЕДОВАНИЯ PHET: СИЛА И ДВИЖЕНИЕ
Узнайте, какие силы действуют, когда вы пытаетесь толкнуть картотечный шкаф. Создайте приложенную силу и посмотрите результирующую силу трения и общую силу, действующую на шкаф. Диаграммы показывают силы, положение, скорость и ускорение в зависимости от времени. Нарисуйте диаграмму всех сил свободного тела (включая силы тяжести и нормальные силы).
Рисунок 6. Силы и движение
Трение – это контактная сила между системами, которая противодействует движению или попытке движения между ними. Простое трение пропорционально нормальной силе N сближение систем. (Нормальная сила всегда перпендикулярна поверхности контакта между системами.) Трение зависит от обоих задействованных материалов. Величина статического трения f _s между системами, неподвижными относительно друг друга, определяется выражением
[латекс]\boldsymbol{f _{\textbf{s}}\leq\mu\textbf{N},}[/латекс]
, где μ _s — коэффициент статического трения, зависящий от обоих материалов.
Кинетическая сила трения f _k между системами, движущимися относительно друг друга, определяется выражением
[латекс]\boldsymbol{f_{\textbf{k}}=\mu_{\textbf{k}}\textbf{N},}[/latex]
, где μ _k — коэффициент кинетического трения, который также зависит от обоих материалов.
трение
сила, противодействующая относительному движению или попыткам движения между контактирующими системами
кинетическое трение
сила, противодействующая движению двух систем, находящихся в контакте и движущихся друг относительно друга
статическое трение
сила, противодействующая движению двух систем, находящихся в контакте и не движущихся относительно друг друга
величина статического трения
f _с ≤ μ _с N , где μ _s коэффициент трения покоя и Н величина нормальной силы
величина кинетического трения
f _k = μ _k N , где μ _k — коэффициент кинетического трения
Трение
Трение
Диаграммы свободного тела
Второй закон Ньютона: F _net = m a
Чтобы найти результирующую силу, действующую на объект, все векторные силы, действующие на объект должны быть добавлены. Мы используем диаграммы свободного тела , чтобы помочь нам с этой задачей. Свободное тело диаграммы — это диаграммы, используемые для отображения относительной величины и направления всех сил, действующих на объект в данной ситуации. Объект представлено коробкой или какой-либо другой простой формой. Силы представлены стрелками. Длина стрелки на диаграмме свободного тела пропорциональна величине сила. Направление стрелки указывает направление силы. Каждая стрелка силы на диаграмме помечена. Все силы, действующие на объект должен быть представлен на диаграмме свободного тела. Свободное тело диаграмма включает только силы, действующие на объект, а не силы сам объект воздействует на другие объекты.
Пример:
Диаграмма свободного тела для свободно падающего мяча:
Если пренебречь трением воздуха, то единственной силой, действующей на мяч, является сила тяжести.
Пример:
Диаграмма свободного тела для мяча, покоящегося на земле:
Гравитация действует вниз. Мяч находится в состоянии покоя. Земля должна оказывать равной по модулю и противоположной по направлению силе, действующей на шар. Этот сила называется нормальной силой , n , так как она нормальна к поверхности.
Пример:
Диаграмма свободного тела для массы на наклонной плоскости:
Гравитация действует вниз. Компонент Ф _г перпендикулярно поверхности, компенсируется нормальной силой поверхность воздействует на массу. Масса не ускоряется в направление перпендикулярно поверхности. Компонент F _г параллельно поверхности заставляет массу ускоряться в этом направлении.
Трение
Предположим, вы хотите переместить тяжелый картотечный шкаф, который стоит посреди вашего кабинета, в угол. Вы толкаете на нем, но ничего не происходит. Что происходит?
Вы прилагаете силу, но ускорения нет. Чистая сила должен быть равен нулю.
Какая сила равной величины направлена в направлении, противоположном направление силы, которую вы прикладываете?
Сила статическое трение ( f _s ) отменяет приложенное усилие, когда шкаф в покое, пока вы толкаете его.
Ты давишь сильнее. В конце концов шкаф отрывается и начинает ускорение. Но вы должны продолжать толкать, чтобы он двигался с постоянной скоростью. Когда вы перестаете давить, он быстро замедляется и приходит в покой. Почему?
Во время движения шкафа усилие кинетическое трение ( f _k ) выступает против приложенная сила. Когда он движется с постоянной скоростью, оба силы точно отменяют.
Откуда берутся эти силы трения? Силы трения являются межмолекулярными силами. Эти силы действуют между молекулами двух разных поверхностей, находящихся в тесный контакт друг с другом. В микроскопическом масштабе большинство поверхностей грубы. Даже поверхности, которые выглядят идеально гладкими невооруженным глазом показать много выступов и вмятин под микроскопом. Межмолекулярный силы наиболее сильны там, где эти выступы и вмятины смыкаются в результате тесный контакт. Составляющая межмолекулярной силы нормали к поверхностям обеспечивает нормальную силу, которая предотвращает объекты от прохождения друг через друга и компонента, параллельного поверхность отвечает за силу трения.
Предположим, что шкаф стоит на полу. Никто давит на это. Суммарная межмолекулярная сила между молекулы двух разных поверхностей нормальны к поверхности. Сила тяжести, действующая на шкаф (красная стрелка) уравновешивается действующей на него нормальной силой пола (черная стрелка).
Теперь предположим, что вы толкаете шкаф. Шкаф не двигается, но молекулы поверхности смещаются микроскопические количества. Это приводит к чистой межмолекулярной силе, которая имеет касательная к поверхности составляющая (сила трения покоя). Эта тангенциальная составляющая противодействует приложенной силе. Чистая сила на кабинет нулевой. Чем сильнее вы давите, тем больше становится микроскопическое смещение поверхностных молекул и тем больше тангенциальное составляющая чистой межмолекулярной силы.
Когда вы нажимаете достаточно сильно, некоторые выступы на поверхности оторвутся, т.е. часть поверхностных молекул полностью смещены. Горизонтальная составляющая чистой межмолекулярной сила уменьшается и уже не полностью противостоит приложенной силе. Кабинет разгоняется. Но в то время как горизонтальная составляющая уменьшилось, оно не исчезло. Теперь ее называют силой кинетики. трение. Чтобы шкаф продолжал ускоряться, вы должны толкать его с силой. сила больше по величине, чем сила кинетического трения. Хранить он движется с постоянной скоростью, вы должны толкать его с силой, равной величине силы кинетического трения. Если вы перестанете давить, сила кинетического трения вызовет ускорение в противоположном направлении. направлении скорости, и шкаф замедлится и остановится.
Сила трения действует всегда между двумя поверхностями и противодействует относительному движению двух поверхности.
Максимальная сила трения покоя между двумя поверхностями примерно пропорциональна величине сила, прижимающая две поверхности друг к другу. Пропорциональная постоянная называется коэффициентом статики трение μ _с . величина силы трения покоя всегда меньше или равно мк _с Н, Запишем f _с ≤ μ _с Н, где f _с — величина сила трения, а N – величина силы, прижимающей поверхности вместе. Для шкафа и пола N — вес кабинета. Коэффициент статического трения представляет собой число (не единицы измерения). Чем шероховатее поверхность, тем больше коэффициент статическое трение.
Пока приложенная сила имеет величину меньше, чем μ _с Н, сила трения покоя f _с имеет ту же величину, что и приложенная сила, но указывает на противоположное направление.
Величина силы кинетического трения, действующей на объект равен f _k = µ _k N, где µ _k – коэффициент кинетического трения . Для большинства поверхностей, μ _k меньше, чем μ _s .
Это короткий видеоклип иллюстрирует разницу между статическим и кинетическим трение.
Проблема:
Женщина в аэропорту буксирует свой 20-килограммовый чемодан с постоянной скоростью, потянув за лямку под углом θ над горизонтом. Она тянет лямку с силой 35 Н, и сила трения о чемодан 20 Н.
а) Нарисуйте свободную схему корпуса чемодана.
б) Какой угол образует ремешок с горизонтом?
в) С какой нормальной силой земля действует на чемодан?
Решение:
Рассуждение:
постоянная скорость <--> без ускорения <--> без результирующей силы
X- и y-компоненты всех сил должны в сумме равняться нулю.
Чтобы отслеживать все силы, полезно нарисовать диаграмму свободного тела.
Детали расчета:
(а) См. рисунок справа.
(b) Чемодан движется с постоянной скоростью, результирующая сила, действующая на чемодан ноль.
F _x = 0 подразумевает (35 Н)cosθ = 20 Н, или cosθ = 20/35, θ = cos ^-1 (20/35) = 55,15 ^o .
(в) F _г = 0 означает мг = n + (35 Н)sinθ, (20 кг)(9,8 м/с ² ) = n + (35 Н)0,82,
n = 167,3 Н,
Проблема:
Определите тормозной путь лыжника со скоростью 20 м/с на склоне, который составляет угол θ с горизонтом. Предположим, что μ _к = 0,18 и θ = 5 ^о .
Решение:
Проблема:
Предположим, вы едете на машине по шоссе на высокой скорости. Почему должен вы избегаете ударов по тормозам, если хотите остановиться на кратчайшем расстоянии? То есть, почему вы должны держать колеса вращающимися, когда тормозите?
Решение:
Рассуждение:
При вращении колес трение между поверхностями тормозные колодки и диски или барабаны колес отвечает за замедление автомобиля. Когда колеса заблокированы, трение между шины и дорога замедляют автомобиль. Тормозные колодки предназначены для работа, а коэффициент кинетического трения между тормозными колодками и диск или барабан большой.
Проблема:
Тяжелый ящик в кузове пикапа. Грузовик и коробка ускоряются влево. Каково направление сила трения на коробке?
Решение:
Обоснование:
Коробка ускоряется влево. Единственная сила с горизонтальным составляющая, действующая на коробку, — трение.
No related posts.