Какво означава ЕДС? Електродвижеща сила

« Физика - 10 клас"

Спомнете си какво е триене.
На какви фактори се дължи?
Защо скоростта на движение на блока върху масата се променя след натискане?

Друг вид сила, разглеждана в механиката, са силите на триене. Тези сили действат по протежение на повърхностите на телата, когато те са в пряк контакт.

Силите на триене във всички случаи предотвратяват относителното движение на контактуващите тела. При определени условия силите на триене правят това движение невъзможно. Те обаче не само забавят движението на телата. В редица практически важни случаи движението на тялото не може да стане без действието на силите на триене.

Нарича се триене, което възниква при относително движение на контактните повърхности на твърди тела сухо триене.

Има три вида сухо триене: статично триене, плъзгащо триене и триене при търкаляне.

Статично триене.

Опитайте да преместите дебела книга, лежаща на масата, с пръст. Прилагате някаква сила върху нея, насочена по повърхността на масата, и книгата остава в покой. Следователно между книгата и повърхността на масата възниква сила, насочена обратно на силата, с която действате върху книгата, и точно равна на нея по големина. Това е силата на триене tr. Натискате книгата с по-голяма сила, но тя пак остава на мястото си. Това означава, че силата на триене tr се увеличава със същото количество.

Силата на триене, действаща между две неподвижни едно спрямо друго тела, се нарича сила статично триене.

Ако върху едно тяло действа сила, успоредна на повърхността, върху която се намира, и тялото остава неподвижно, това означава, че върху него действа сила на статично триене tr, равна по големина и насочена в посока, обратна на сила (фиг. 3.22). Следователно силата на статичното триене се определя от силата, действаща върху него:

Ако силата, действаща върху тялото в покой, дори малко надвишава максималната сила на статичното триене, тогава тялото ще започне да се плъзга.

Нарича се най-голямата стойност на силата на триене, при която все още не се получава плъзгане максимална сила на статично триене.

За да се определи максималната сила на статично триене, има много прост, но не много точен количествен закон. Нека на масата има блок с прикрепен към него динамометър. Нека проведем първия експеримент. Нека издърпаме пръстена на динамометъра и да определим максималната сила на статично триене. Върху блока действат силата на гравитацията m, нормалната сила на реакция на опората 1, силата на опън 1, пружините на динамометъра и максималната сила на статично триене tr1 (фиг. 3.23).

Нека поставим друг подобен блок върху блока. Силата на натиск на решетките върху масата ще се увеличи 2 пъти. Според третия закон на Нютон нормалната сила на реакция на опора 2 също ще се увеличи 2 пъти. Ако отново измерим максималната сила на статично триене, ще видим, че тя се е увеличила толкова пъти, колкото се е увеличила силата 2, т.е. 2 пъти.

Продължавайки да увеличаваме броя на прътите и измервайки всеки път максималната сила на статичното триене, ще се убедим, че

>максималната стойност на модула на силата на статичното триене е пропорционална на модула на нормалната сила на реакция на опората.

Ако означим модула на максималната сила на статично триене с F tr. max, тогава можем да напишем:

F tr. max = μN (3.11)

където μ е коефициент на пропорционалност, наречен коефициент на триене. Коефициентът на триене характеризира двете триещи се повърхности и зависи не само от материала на тези повърхности, но и от качеството на тяхната обработка. Коефициентът на триене се определя експериментално.

Тази зависимост е установена за първи път от френския физик К. Кулон.

Ако поставите блока върху по-малкото лице, тогава F tr. max няма да се промени.

Максималната сила на статично триене не зависи от площта на контакт между телата.

Силата на статично триене варира от нула до максимална стойност, равна на μN. Какво може да причини промяна в силата на триене?

Въпросът тук е следният. Когато върху едно тяло се приложи определена сила, то се измества леко (незабележимо за окото) и това изместване продължава, докато микроскопичните грапавини на повърхностите се разположат една спрямо друга по такъв начин, че, закачайки се една за друга, ще водят до появата на сила, която балансира силата. С увеличаването на силата тялото отново ще се движи леко, така че най-малките повърхностни неравности ще се прилепят една към друга по различен начин и силата на триене ще се увеличи.

И само при > F tr. max, без значение от относителната позиция на неравностите на повърхността, силата на триене не е в състояние да балансира силата и плъзгането ще започне.

Зависимостта на модула на силата на триене при плъзгане от модула на действащата сила е показана на фигура 3.24.

При ходене и бягане стъпалата на краката са обект на статично триене, освен ако краката не се плъзгат. Същата сила действа върху задвижващите колела на автомобила. Върху задвижваните колела също действа статична сила на триене, но този път спира движението, като тази сила е значително по-малка от силата, действаща върху задвижващите колела (в противен случай колата не би могла да се движи).

Дълго време се съмняваше, че парен локомотив може да се движи по гладки релси. Те смятаха, че фрикционното спиране на задвижваните колела ще бъде равно на силата на триене, действаща върху задвижващите колела. Дори беше предложено задвижващите колела да бъдат задвижвани и да се поставят специални зъбни релси за тях.

Триене при плъзгане.

При плъзгане силата на триене зависи не само от състоянието на триещите се повърхности, но и от относителната скорост на телата, като тази зависимост от скоростта е доста сложна. Опитът показва, че често (макар и не винаги) в самото начало на плъзгане, когато относителната скорост е все още ниска, силата на триене става малко по-малка от максималната сила на статично триене. Едва след това с увеличаване на скоростта тя расте и започва да надвишава F tr. макс.

Вероятно сте забелязали, че тежък предмет, като например кутия, се мести трудно, но след това преместването става по-лесно. Това се обяснява именно с намаляването на силата на триене, когато плъзгането се извършва при ниска скорост (виж фиг. 3.24).

При не много високи относителни скорости на движение силата на триене при плъзгане се различава малко от максималната сила на статично триене. Следователно тя може приблизително да се счита за постоянна и равна на максималната сила на статично триене:

F tr ≈ F tr. max = μN.

Силата на триене при плъзгане може да се намали многократно чрез използване на смазка - най-често тънък слой течност (обикновено някакъв вид минерално масло) - между триещите се повърхности.

Нито една съвременна машина, като автомобилен или тракторен двигател, не може да работи без смазване. В конструкцията на всички машини е предвидена специална система за смазване.

Триенето между слоеве течност в съседство с твърди повърхности е много по-малко, отколкото между сухи повърхности.

Триене при търкаляне.

Силата на триене при търкаляне е значително по-малка от силата на триене при плъзгане, така че е много по-лесно да търкаляте тежък предмет, отколкото да го движите.

Силата на триене зависи от относителната скорост на телата. Това е основната му разлика от силите на гравитацията и еластичността, които зависят само от разстоянията.

Съпротивителни сили при движение на твърди тела в течности и газове.

Когато твърдо тяло се движи в течност или газ, върху него действа силата на съпротивление на средата. Тази сила е насочена срещу скоростта на тялото спрямо средата и забавя движението.

Основната характеристика на съпротивителната сила е, че тя се появява само при наличие на относително движение на тялото и околната среда.
Силата на статично триене в течности и газове напълно отсъства.

Това води до факта, че с усилието на ръцете ви можете да преместите тежко тяло, например плаваща лодка, докато преместването, да речем, на влак с ръце е просто невъзможно.

Модулът на съпротивителната сила F c зависи от размера, формата и състоянието на повърхността на тялото, свойствата на средата (течност или газ), в която се движи тялото, и накрая от относителната скорост на движение на тялото и средата.

Приблизителният характер на зависимостта на модула на съпротивителната сила от модула на относителната скорост на тялото е показан на фигура 3.25. При относителна скорост, равна на нула, силата на съпротивление не действа върху тялото (F c = 0). С увеличаването на относителната скорост силата на съпротивление нараства отначало бавно, а след това все по-бързо и по-бързо. При ниски скорости на движение съпротивителната сила може да се счита за пряко пропорционална на скоростта на движение на тялото спрямо средата:

F c = k 1 υ, (3.12)

където k 1 е коефициентът на съпротивление, в зависимост от формата, размера, състоянието на повърхността на тялото и свойствата на средата - нейния вискозитет. Не е възможно теоретично да се изчисли коефициентът k 1 за тела със сложна форма, той се определя експериментално.

При високи скорости на относително движение силата на съпротивление е пропорционална на квадрата на скоростта:

F c = k 2 υ 2 , υ, (3.13)

където k 2 е коефициентът на съпротивление, различен от k 1 .

Коя от формулите - (3 12) или (3.13) - може да се използва в конкретен случай, се определя експериментално. Например, за лек автомобил е препоръчително да се използва първата формула при приблизително 60-80 км/ч, при по-високи скорости трябва да се използва втората формула.

Силата на триене в земни условия съпътства всяко движение на телата. Това се случва, когато две тела влязат в контакт, ако тези тела се движат едно спрямо друго. Силата на триене винаги е насочена по протежение на контактната повърхност, за разлика от еластичната сила, която е насочена перпендикулярно (фиг. 1, фиг. 2).

Ориз. 1. Разлика между посоките на силата на триене и еластичната сила

Ориз. 2. Повърхността действа върху блока, а блокът действа върху повърхността

Има сухи и несухи видове триене. Сухият тип триене възниква при контакт на твърди тела.

Нека разгледаме блок, лежащ върху хоризонтална повърхност (фиг. 3). Върху него действат гравитацията и силата на реакция на земята. Нека действаме на блока с малка сила , насочени по повърхността. Ако блокът не се движи, това означава, че приложената сила се балансира от друга сила, която се нарича сила на статично триене.

Ориз. 3. Статична сила на триене

Сила на триене в покой () противоположна по посока и равна по големина на силата, стремяща се да премести тяло успоредно на повърхността на контакта му с друго тяло.

Тъй като силата на „срязване“ се увеличава, блокът остава в покой, следователно силата на статично триене също се увеличава. С достатъчно голяма сила блокът ще започне да се движи. Това означава, че силата на статичното триене не може да нараства безкрайно – има горна граница, отвъд която не може. Стойността на тази граница е максималната сила на статично триене.

Нека приложим натиск върху блока с помощта на динамометър.

Ориз. 4. Измерване на силата на триене с помощта на динамометър

Ако динамометърът действа върху него със сила, тогава можете да видите, че максималната сила на статично триене става по-голяма с увеличаване на масата на блока, тоест с увеличаване на гравитацията и силата на опорната реакция. Ако се направят точни измервания, те ще покажат, че максималната сила на статично триене е право пропорционална на силата на реакция на опората:

където е модулът на максималната сила на статично триене; н– сила на реакция на земята (нормално налягане); – коефициент на статично триене (пропорционалност). Следователно максималната сила на статично триене е право пропорционална на силата на нормалното налягане.

Ако проведете експеримент с динамометър и блок с постоянна маса, докато завъртате блока на различни страни (променяйки зоната на контакт с масата), можете да видите, че максималната сила на статично триене не се променя (фиг. 5). Следователно максималната сила на статично триене не зависи от контактната площ.

Ориз. 5. Максималната стойност на силата на статично триене не зависи от контактната площ

По-точни изследвания показват, че статичното триене се определя изцяло от силата, приложена към тялото и формулата.

Силата на статичното триене не винаги пречи на движението на тялото. Например, силата на статично триене действа върху подметката на обувката, придавайки ускорение и позволявайки на човек да ходи по земята, без да се подхлъзва (фиг. 6).

Ориз. 6. Силата на статичното триене, действаща върху подметката на обувката

Друг пример: силата на статично триене, действаща върху колелото на автомобила, ви позволява да започнете да се движите без подхлъзване (фиг. 7).

Ориз. 7. Силата на статичното триене, действаща върху колелото на автомобила

При ремъчните предавки действа и статичното триене (фиг. 8).

Ориз. 8. Силата на статичното триене в ремъчните предавки

Ако едно тяло се движи, тогава силата на триене, действаща върху него от повърхността, не изчезва, този вид триене се нарича триене при плъзгане. Измерванията показват, че силата на триене при плъзгане е почти равна по големина на максималната сила на статично триене (фиг. 9).

Ориз. 9. Сила на триене при плъзгане

Силата на триене при плъзгане винаги е насочена срещу скоростта на движение на тялото, тоест възпрепятства движението. Следователно, когато тялото се движи само под въздействието на триене, то му придава отрицателно ускорение, тоест скоростта на тялото постоянно намалява.

Големината на силата на триене при плъзгане също е пропорционална на силата на нормалното налягане.

където е модулът на силата на триене при плъзгане; н– сила на реакция на земята (нормално налягане); – коефициент на триене при плъзгане (пропорционалност).

Фигура 10 показва графика на силата на триене спрямо приложената сила. Показва две различни области. Първият участък, в който силата на триене нараства с увеличаване на приложената сила, съответства на статичното триене. Вторият участък, в който силата на триене не зависи от външната сила, съответства на триенето при плъзгане.

Ориз. 10. Графика на силата на триене спрямо приложената сила

Коефициентът на триене при плъзгане е приблизително равен на коефициента на статично триене. Обикновено коефициентът на триене при плъзгане е по-малък от единица. Това означава, че силата на триене при плъзгане е по-малка от нормалната сила на натиск.

Коефициентът на триене при плъзгане е характеристика на две тела, които се търкат едно в друго; зависи от това от какви материали са направени телата и колко добре са обработени повърхностите (гладка или грапава).

Произходът на статични и плъзгащи сили на триене се определя от факта, че всяка повърхност на микроскопично ниво не е плоска, винаги има микроскопични нехомогенности на всяка повърхност (фиг. 11).

Ориз. 11. Повърхности на телата на микроскопично ниво

Когато две тела в контакт се опитват да се движат едно спрямо друго, тези прекъсвания се захващат и предотвратяват това движение. При малко количество приложена сила това зацепване е достатъчно, за да предотврати движението на телата, така че възниква статично триене. Когато външната сила надвиши максималното статично триене, зацепването на грапавините не е достатъчно, за да задържи телата и те започват да се движат едно спрямо друго, докато между телата действа силата на триене при плъзгане.

Този тип триене възниква, когато телата се търкалят едно върху друго или когато едно тяло се търкаля по повърхността на друго. Триенето при търкаляне, подобно на триенето при плъзгане, придава отрицателно ускорение на тялото.

Появата на сила на триене при търкаляне се дължи на деформацията на търкалящото тяло и опорната повърхност. По този начин колело, разположено на хоризонтална повърхност, деформира последното. Когато колелото се движи, деформациите нямат време да се възстановят, така че колелото трябва постоянно да се изкачва по малък хълм, което причинява момент на сила, който забавя търкалянето.

Ориз. 12. Възникване на силата на триене при търкаляне

Големината на силата на триене при търкаляне по правило е многократно по-малка от силата на триене при търкаляне при равни други условия. Поради това търкалянето е често срещан тип движение в технологиите.

Когато твърдо тяло се движи в течност или газ, върху него действа съпротивителна сила от средата. Тази сила е насочена срещу скоростта на тялото и забавя движението (фиг. 13).

Основната характеристика на съпротивителната сила е, че тя възниква само при наличие на относително движение на тялото и околната среда. Тоест силата на статично триене не съществува в течности и газове. Това води до факта, че човек може да премести дори тежка баржа по водата.

Ориз. 13. Съпротивителна сила, действаща на тялото при движение в течност или газ

Модулът на съпротивителната сила зависи от:

От размера на тялото и неговата геометрична форма (фиг. 14);

Състояние на повърхността на тялото (фиг. 15);

Свойства на течност или газ (фиг. 16);

Относителна скорост на тялото и околната среда (фиг. 17).

Ориз. 14. Зависимост на модула на съпротивителната сила от геометричната форма

Ориз. 15. Зависимост на модула на съпротивителната сила от състоянието на повърхността на тялото

Ориз. 16. Зависимост на модула на съпротивителната сила от свойствата на течността или газа

Ориз. 17. Зависимост на модула на съпротивителната сила от относителната скорост на тялото и околната среда

Фигура 18 показва графика на съпротивителната сила спрямо скоростта на тялото. При относителна скорост, равна на нула, съпротивителната сила не действа върху тялото. С увеличаването на относителната скорост, съпротивителната сила отначало нараства бавно, а след това скоростта на нарастване се увеличава.

Ориз. 18. Графика на съпротивителната сила спрямо скоростта на тялото

При ниски относителни скорости силата на съпротивление е право пропорционална на големината на тази скорост:

където е относителната скорост; – коефициент на съпротивление, който зависи от вида на вискозната среда, формата и размера на тялото.

Ако относителната скорост е достатъчно голяма, тогава силата на съпротивление става пропорционална на квадрата на тази скорост.

където е относителната скорост; – коефициент на съпротивление.

Изборът на формула за всеки конкретен случай се определя емпирично.

Тяло с тегло 600 g се движи равномерно по хоризонтална повърхност (фиг. 19). В същото време върху него се прилага сила, чиято големина е 1,2 N. Определете стойността на коефициента на триене между тялото и повърхността.

Телата взаимодействат едно с друго по различни начини. Един вид взаимодействие е триенето. Преди да разберем тънкостите на сухото и вискозно триене, ще отговорим на два въпроса. Какво е сила на триене и кога възниква?

Какво е сила на триене?

Силата на триене е сила, която възниква при съприкосновението на телата и възпрепятства тяхното относително движение.

Триенето възниква поради взаимодействието между атомите и молекулите на телата, когато те влизат в контакт едно с друго.

Природата на силата на триене е електромагнитна.

Както при всяко друго взаимодействие, третият закон на Нютон е верен за триенето. Ако сила на триене действа върху едно от две взаимодействащи тела, тогава сила със същата величина действа върху другото тяло в обратна посока.

Има сухо и вискозно триене, сила на статично триене, сила на триене при плъзгане, сила на триене при търкаляне.

Сухото триене е триене, което възниква между твърди тела при отсъствие на течен или газообразен слой между тях. Силата на триене е насочена тангенциално към контактните повърхности.

Нека си представим, че върху едно тяло, например блокче, лежащо на маса, действа някаква външна сила. Тази сила се стреми да премести блока от мястото му. Докато телата са в покой, върху блока действа силата на статичното триене и всъщност външната сила. Силата на статичното триене е равна на външната сила и я балансира.

Когато външната сила превиши определена гранична стойност F t r. m a x , блокът се мести от мястото си. Върху него също действа сила на триене, но това вече не е сила на статично триене, а сила на триене при плъзгане. Силата на триене при плъзгане е насочена в посока, обратна на движението и зависи от скоростта на тялото.

При решаване на физически задачи силата на триене при плъзгане често се приема равна на максималната сила на статично триене и се пренебрегва зависимостта на силата на триене от относителната скорост на движение на телата.

Фигурата по-горе показва реалните и идеализирани характеристики на сухото триене. Както виждаме, всъщност силата на триене при плъзгане се променя в зависимост от скоростта, но промените не са толкова големи, че да не могат да бъдат пренебрегнати.

Силата на триене е пропорционална на силата на нормалната реакция на опората.

F t r = F t r. m a x = μ N .

Какъв е коефициентът на триене при плъзгане?

μ е коефициент на пропорционалност, който се нарича коефициент на триене при плъзгане. Зависи от материалите на контактуващите тела и техните свойства. Коефициентът на триене при плъзгане е безразмерна величина, която не надвишава единица.

При търкаляне на тела възникват сили на триене при търкаляне. Те обикновено се пренебрегват при решаването на проблеми.

Вискозно триене в течности и газове

Вискозното триене възниква, когато телата се движат в течности и газове. Силата на вискозно триене също е насочена в посока, обратна на движението на тялото, но нейната величина е много по-малка от силата на триене при плъзгане. При вискозното триене няма статично триене.

Изчисляването на силата на вискозно триене е по-сложно от изчисляването на силата на триене при плъзгане. При малки скорости на движение на тяло в течност силата на вискозното триене е пропорционална на скоростта на тялото, а при високи скорости - на квадрата на скоростта. В този случай коефициентите на пропорционалност зависят от формата на телата, необходимо е да се вземат предвид и свойствата на самата среда, в която се извършва движението.

Например силите на вискозно триене във вода и масло ще бъдат различни, тъй като тези течности имат различен вискозитет.

Ако забележите грешка в текста, моля, маркирайте я и натиснете Ctrl+Enter

Силата на триене е мярка за съпротивление на движение, насочено тангенциално към повърхността на докосващо се тяло. Големината на силата на триене (като компонент на реакцията на повърхността на свързване) зависи от влиянието на движещо се или изместено тяло; тя е насочена срещу скоростта или силата на изместване и се прилага в точката на контакт.

Силите на триене (тангенциални реакции) възникват между контактуващите тела по време на тяхното движение едно спрямо друго (фиг. 33)

Ориз. 33. Сили на триене (T):

динамика на приплъзване; b- статично плъзгане; V- момент на триене при търкаляне (ориг.)

Има три вида триене: триене плъзгане, търкаляне и въртене. При плъзгане движещо се тяло влиза в контакт с неподвижно тяло със същата част от повърхността си (ски се плъзгат по снега). При търкаляне точките на движещо се тяло влизат в контакт с друго тяло една по една (колело на велосипед се търкаля по коловоз). Преденето се характеризира с движение на място около ос (въртящ се връх).

Динамичната сила на триене на плъзгане се проявява по време на движението на тялото, прилага се към плъзгащото се тяло и е насочена в посока, обратна на относителната скорост на неговото движение, която не зависи от величината движещата сила и е приблизително пропорционална на динамичния коефициент на триене при плъзгане (k din) и силата на нормалното налягане върху опората (Н): T din =k din N

Когато повърхностите са напълно разделени от слой лубрикант, се появява течност триене 1 Съществува между слоеве течност, както и между течност и твърдо вещество. За разлика сухо триене (между твърди тела без смазване), флуидното триене се появява само когато има скорост. Когато движещите се тела спрат, течното триене изчезва, следователно дори и най-малката сила може да придаде скорост на слоеве от течна среда, например, когато твърдо тяло се движи във вода.

При сухото триене картината е различна. Ако приложите движеща сила към тяло в покой, то ще може да движи тялото само когато силата на статичното триене, която пречи на движението, стане по-голяма. По този начин , сухото триене и течното триене са коренно различни.

Статичното (покой) сила на триене при плъзгане се проявява в покой, прилага се към тялото, което се измества, и е насочено в посока, обратна на силата на срязване. Силата на статично триене при плъзгане е равна на силата на срязване, но не може да бъде по-голяма от ограничаващата сила2; последното е пропорционално на статичния коефициент на триене при плъзгане (kst) и нормалната сила на натиск (Н): T st = k st н

Това е, статичната статична сила на триене може да има стойност от нула до максимум (непъленИ пълен). Минималната сила на срязване, която привежда тялото в движение, е по-голяма от максималната сила на статично триене.

Връзката между големината на нормалната опорна реакция (равна на нормалната сила на натиск) и крайната сила на статично триене е равна на тангенса на ъгъла (a), който се нарича ъгъл на триене (или ъгъл на сцепление) (виж фиг. 33, b).

Тангенсът на ъгъла на сцепление е равен на коефициента на статично триене.Действителният ъгъл на натиск върху опората в покой не може да бъде по-голям от ъгъла на триене. Това означава, че докато линията на действие на силата, приложена към тялото, минава вътре в ъгъла на триене, тялото не може да бъде преместено. Само когато линията на действие на силата е извън ъгъла на триене, тялото ще бъде изместено.

На хоризонтална повърхност нормалната сила на натиск обикновено се представя чрез статично или динамично тегло (човекът е неподвижен или се отблъсква от опора). Но може да има и други източници на нормално налягане, например натискът, упражняван от краката и гърба на катерача върху стените на комина (вертикална пукнатина в скалите),