Що означає ЕДС. Електрорушійна сила

« Фізика – 10 клас»

Згадайте, що таке тертя.
Якими факторами воно зумовлене?
Чому змінюється швидкість руху по столу бруска після поштовху?

Ще один вид сил, з якими мають справу в механіці, – це сили тертя. Ці сили діють вздовж поверхонь тіл при їх безпосередньому зіткненні.

Сили тертя у всіх випадках перешкоджають відносному руху дотичних тіл. За деяких умов сили тертя унеможливлюють цей рух. Однак вони не лише гальмують рух тіл. У ряді практично важливих випадків рух тіла не міг би виникнути без дії сил тертя.

Тертя, що виникає при відносному переміщенні поверхонь твердих тіл, що стикаються, називається сухим тертям.

Розрізняють три види сухого тертя: тертя спокою, тертя ковзання та тертя кочення.

Тертя спокою.

Спробуйте зрушити пальцем товсту книгу, що лежить на столі. Ви доклали до неї деяку силу, спрямовану вздовж поверхні столу, а книга залишається у спокої. Отже, між книгою та поверхнею столу виникає сила, спрямована проти тієї сили, з якою ви дієте на книгу, і точно дорівнює їй по модулю. Це сила тертя тp. Ви з більшою силою штовхаєте книгу, але вона, як і раніше, залишається на місці. Значить, і сила тертя тp так само зростає.

Силу тертя, що діє між двома тілами, нерухомими щодо один одного, називають силою тертя спокою.

Якщо на тіло діє сила , паралельна поверхні, на якій воно знаходиться, і тіло при цьому залишається нерухомим, це означає, що на нього діє сила тертя спокою тp , рівна по модулю і спрямована в протилежний бік силі (рис. 3.22). Отже, сила тертя спокою визначається силою, що діє на нього:

Якщо сила, що діє на спокій, хоча б трохи перевищить максимальну силу тертя спокою, то тіло почне ковзати.

Найбільше значення сили тертя, у якому ковзання ще настає, називається максимальною силою тертя спокою.

Для визначення максимальної сили тертя спокою існує дуже простий, але дуже точний кількісний закон. Нехай на столі знаходиться брусок із прикріпленим до нього динамометром. Проведемо перший досвід. Потягнемо за кільце динамометра та визначимо максимальну силу тертя спокою. На брусок діють сила тяжіння m, сила нормальної реакції опори 1, сила натягу 1, пружини динамометра та максимальна сила тертя спокою тр1 (рис. 3.23).

Покладемо на брусок ще один такий самий брусок. Сила тиску брусків на стіл збільшиться вдвічі. Згідно з третім законом Ньютона сила нормальної реакції опори 2 також збільшиться в 2 рази. Якщо ми знову виміряємо максимальну силу тертя спокою, то побачимо, що вона збільшилася в стільки разів, скільки разів збільшилася сила 2 , тобто в 2 рази.

Продовжуючи збільшувати кількість брусків і вимірюючи щоразу максимальну силу тертя спокою, ми переконаємося, що

>максимальне значення модуля сили тертя спокою пропорційно модулю сили нормальної реакції опори.

Якщо визначити модуль максимальної сили тертя спокою через F тр. mах, то можна записати:

F тр. mах = μN (3.11)

де - коефіцієнт пропорційності, званий коефіцієнтом тертя. Коефіцієнт тертя характеризує поверхні, що обертаються, і залежить не тільки від матеріалу цих поверхонь, але і від якості їх обробки. Коефіцієнт тертя визначається експериментально.

Цю залежність уперше встановив французький фізик Ш. Кулон.

Якщо покласти брусок на меншу грань, F тр. mах не зміниться.

Максимальна сила тертя спокою залежить від площі зіткнення тіл.

Сила тертя спокою змінюється в межах від нуля до максимального значення, що дорівнює μN. За рахунок чого може відбуватися зміна сили тертя?

Справа тут ось у чому. При дії на тіло деякої сили воно злегка (непомітно для ока) зміщується, і це зміщення триває доти, поки мікроскопічні шорсткості поверхонь не розташуються щодо один одного так, що, зачіпляючись одна за одну, вони призведуть до появи сили, що врівноважує силу. При збільшенні сили тіло знову трохи зрушить так, що дрібні нерівності поверхонь по-іншому будуть чіплятися один за одного, і сила тертя зросте.

І лише за > F тр. mах ні при якому взаємному розташуванні шорсткостей поверхні сила тертя не в змозі врівноважити силу, і почнеться ковзання.

Залежність модуля сили тертя ковзання від модуля чинної сили показана малюнку 3.24.

При ходьбі та бігу на підошви ніг діє сила тертя спокою, якщо тільки ноги не ковзають. Така сама сила діє на провідні колеса автомобіля. На ведені колеса також діє сила тертя спокою, але вже гальмує рух, причому ця сила значно менше сили, що діє на провідні колеса (інакше автомобіль не зміг би рушити з місця).

У давнину сумнівалися, що паровоз зможе їхати гладкими рейками. Думали, що тертя, що гальмує ведені колеса, дорівнюватиме силі тертя, що діє на провідні колеса. Пропонували навіть робити провідні колеса зубчастими та прокладати для них спеціальні зубчасті рейки.

Тертя ковзання.

При ковзанні сила тертя залежить не тільки від стану поверхонь, що труться, але і від відносної швидкості руху тіл, причому ця залежність від швидкості є досить складною. Досвід показує, що часто (хоча і не завжди) на самому початку ковзання, коли відносна швидкість ще мала, сила тертя стає дещо меншою за максимальну силу тертя спокою. Лише потім, зі збільшенням швидкості, вона росте і починає перевершувати F тр. мах.

Ви, мабуть, помічали, що важкий предмет, наприклад ящик, важко зрушити з місця, а потім рухати його стає легше. Це якраз і пояснюється зменшенням сили тертя з появою ковзання з малою швидкістю (рис. 3.24).

При невеликих відносних швидкостях руху сила тертя ковзання мало відрізняється від максимальної сили тертя спокою. Тому приблизно можна вважати її постійною і рівною максимальній силі тертя спокою:

F тр ≈ F тр. mах = μN.

Силу тертя ковзання можна зменшити у багато разів за допомогою мастила - найчастіше тонкого шару рідини (зазвичай того чи іншого сорту мінерального масла) - між поверхнями, що труться.

Жодна сучасна машина, наприклад двигун автомобіля чи трактора, не може працювати без мастила. Спеціальна система мастила передбачається під час конструювання всіх машин.

Тертя між шарами рідини, що прилягають до твердих поверхонь, значно менше ніж між сухими поверхнями.

Тертя кочення.

Сила тертя кочення істотно менша за силу тертя ковзання, тому набагато легше перекочувати важкий предмет, ніж рухати його.

Сила тертя залежить від відносної швидкості руху тіл. У цьому її головна відмінність від сил тяжіння та пружності, які залежать лише від відстаней.

Сили опору під час руху твердих тіл у рідинах та газах.

При русі твердого тіла в рідині або газі на нього діє сила опору середовища. Ця сила спрямована проти швидкості тіла щодо середовища та гальмує рух.

Головна особливість сили опору полягає в тому, що вона з'являється лише за наявності відносного руху тіла та навколишнього середовища.
Сила тертя спокою у рідинах та газах повністю відсутня.

Це призводить до того, що зусиллям рук можна зрушити важке тіло, наприклад плаваючий човен, в той час як зрушити з місця, скажімо, потяг зусиллям рук просто неможливо.

Модуль сили опору F c залежить від розмірів, форми та стану поверхні тіла, властивостей середовища (рідини або газу), в якому тіло рухається, і, нарешті, від відносної швидкості руху тіла та середовища.

Приблизний характер залежності модуля сили опору від модуля відносної швидкості тіла показано малюнку 3.25. За відносної швидкості, що дорівнює нулю, сила опору не діє на тіло (F c = 0). Зі збільшенням відносної швидкості сила опору спочатку зростає повільно, а потім все швидше та швидше. При малих швидкостях руху силу опору вважатимуться прямо пропорційної швидкості руху тіла щодо середовища:

F c = k 1 υ, (3.12)

де k 1 - коефіцієнт опору, що залежить від форми, розмірів, стану поверхні тіла та властивостей середовища - її в'язкості. Обчислити коефіцієнт k 1 теоретично для тіл скільки-небудь складної форми неможливо, його визначають дослідним шляхом.

При великих швидкостях відносного руху сила опору пропорційна квадрату швидкості:

F c = k 2 υ 2 , υ, (3.13)

де k 2 - Коефіцієнт опору, відмінний від k 1 .

Яку з формул - (312) або (3.13) - можна використовувати в конкретному випадку, визначається дослідним шляхом. Наприклад, для легкового автомобіля першу формулу бажано застосовувати приблизно за 60-80 км/год, при великих швидкостях слід використовувати другу формулу.

Сила тертя в земних умовах супроводжує будь-які рухи тіл. Вона виникає при дотику двох тіл, якщо ці тіла рухаються щодо одне одного. Спрямована сила тертя завжди вздовж поверхні зіткнення, на відміну сили пружності, яка спрямована перпендикулярно (рис. 1, рис. 2).

Рис. 1. Відмінність напрямків сили тертя та сили пружності

Рис. 2. Поверхня діє брусок, а брусок – поверхню

Існують сухі та не сухі види тертя. Сухий вид тертя виникає при дотику твердих тіл.

Розглянемо брусок, що лежить на горизонтальній поверхні (рис. 3). На нього діють сила тяжкості та сила реакції опори. Подіємо на брусок з невеликою силою , спрямованої вздовж поверхні. Якщо брусок не зсувається з місця, отже, прикладена сила врівноважується іншою силою, яка називається силою тертя спокою.

Рис. 3. Сила тертя спокою

Сила тертя спокою () протилежна за напрямом і дорівнює модулю силі, що прагне зрушити тіло паралельно поверхні його зіткнення з іншим тілом.

При збільшенні «зсувної» сили брусок залишається у спокої, отже, сила тертя спокою також зростає. При деякій, досить великій, силі брусок почне рухатися. Це означає, що сила тертя спокою не може збільшуватися до нескінченності - існує верхня межа, більше якої вона не може бути. Величина цієї межі – максимальна сила тертя спокою.

Подіємо на брусок за допомогою динамометра.

Рис. 4. Вимірювання сили тертя за допомогою динамометра

Якщо динамометр діє нього з силою , можна побачити, що максимальна сила тертя спокою стає більше зі збільшенням маси бруска, тобто зі збільшенням сили тяжкості і сили реакції опори. Якщо провести точні вимірювання, вони покажуть, що максимальна сила тертя спокою прямо пропорційна силі реакції опори:

де – модуль максимальної сили тертя; N- Сила реакції опори (нормального тиску); - Коефіцієнт тертя спокою (пропорційності). Отже, максимальна сила тертя спокою прямо пропорційна силі нормального тиску.

Якщо провести досвід з динамометром і бруском постійної маси, при цьому перевертаючи брусок на різні боки (змінюючи площу зіткнення зі столом), можна побачити, що максимальна сила тертя спокою не змінюється (рис. 5). Отже, від площі зіткнення максимальна сила тертя спокою залежить.

Рис. 5. Максимальне значення сили тертя спокою залежить від площі дотику

Точніші дослідження показують, що тертя спокою повністю визначається прикладеною до тіла силою і формулою .

Сила тертя спокою не завжди перешкоджає руху тіла. Наприклад, сила тертя спокою діє на підошву взуття, при цьому повідомляючи прискорення і дозволяючи ходити по землі без ковзання (рис. 6).

Рис. 6. Сила тертя спокою, що діє по підошві взуття

Ще один приклад: сила тертя спокою, що діє на колесо автомобіля, дозволяє починати рух без пробуксування (рис. 7).

Рис. 7. Сила тертя спокою, що діє на колесо автомобіля

У ременних передачах також діє сила тертя спокою (рис. 8).

Рис. 8. Сила тертя спокою у ремінних передачах

Якщо тіло рухається, то сила тертя, що діє на нього з боку поверхні, не зникає, такий вид тертя називається тертя ковзання. Вимірювання показують, що сила тертя ковзання за величиною практично дорівнює максимальній силі тертя спокою (рис. 9).

Рис. 9. Сила тертя ковзання

Сила тертя ковзання завжди спрямована проти швидкості руху тіла, тобто вона перешкоджає руху. Отже, під час руху тіла лише під впливом сили тертя вона повідомляє йому негативне прискорення, тобто швидкість тіла постійно зменшується.

Розмір сили тертя ковзання також пропорційна силі нормального тиску.

де – модуль сили тертя ковзання; N- Сила реакції опори (нормального тиску); - Коефіцієнт тертя ковзання (пропорційності).

На малюнку 10 зображено графік залежності сили тертя від прикладеної сили. На ньому видно дві різні ділянки. Перша ділянка, на якій сила тертя зростає зі збільшенням прикладеної сили, відповідає тертю спокою. Друга ділянка, на якій сила тертя не залежить від зовнішньої сили, відповідає тертю ковзання.

Рис. 10. Графік залежності сили тертя від прикладеної сили

Коефіцієнт тертя ковзання приблизно дорівнює коефіцієнту тертя спокою. Зазвичай коефіцієнт тертя ковзання менше одиниці. Це означає, що сила тертя ковзання за величиною менша від сили нормального тиску.

Коефіцієнт тертя ковзання є характеристикою двох тіл, що труться один про одного, він залежить від того, з яких матеріалів виготовлені тіла і наскільки добре оброблені поверхні (гладкі або шорсткі).

Походження сил тертя спокою та ковзання обумовлюється тим, що будь-яка поверхня на мікроскопічному рівні не є плоскою, на будь-якій поверхні завжди є мікроскопічні неоднорідності (рис. 11).

Рис. 11. Поверхні тіл на мікроскопічному рівні

Коли два тіла, що стикаються, піддаються спробі переміщення відносно один одного, ці неоднорідності зачіплюються і перешкоджають цьому переміщенню. При невеликій величині прикладеної сили цього зачеплення достатньо, щоб не дозволити тілам зміщуватися, так виникає тертя спокою. Коли зовнішня сила перевищує максимальне тертя спокою, то зачеплення шорсткостей недостатньо для утримання тіл, і вони починають зміщуватися щодо один одного, при цьому між тілами діє сила тертя ковзання.

Даний вид тертя виникає при перекочуванні тіл один по одному або при кочуванні одного тіла поверхнею іншого. Тертя кочення, як і тертя ковзання, повідомляє тілу негативне прискорення.

Виникнення сили тертя кочення обумовлено деформацією тіла, що котиться, і опорною поверхнею. Так, колесо, розташоване на горизонтальній поверхні, деформує останню. При русі колеса деформації не встигають відновитися, тому колесу доводиться як би весь час підніматися на невелику гірку, через що з'являється момент сил, що гальмує кочення.

Рис. 12. Виникнення сили тертя кочення

Величина сили тертя кочення, як правило, набагато менше сили тертя ковзання за інших рівних умов. Завдяки цьому кочення є поширеним видом руху на техніці.

При русі твердого тіла у рідині чи газі нею діє із боку середовища сила опору. Ця сила спрямована проти швидкості тіла та гальмує рух (рис. 13).

Головна особливість сили опору полягає в тому, що вона виникає лише за наявності відносного руху тіла та навколишнього середовища. Тобто сили тертя спокою у рідинах та газах не існує. Це призводить до того, що людина може зрушити навіть важку баржу на воді.

Рис. 13. Сила опору, що діє на тіло під час руху в рідині або газі

Модуль сили опору залежить:

Від розмірів тіла та його геометричної форми (рис. 14);

Стан поверхні тіла (рис. 15);

Властивості рідини чи газу (рис. 16);

Відносної швидкості тіла та навколишнього середовища (рис. 17).

Рис. 14. Залежність модуля сили опору від геометричної форми

Рис. 15. Залежність модуля сили опору стану поверхні тіла

Рис. 16. Залежність модуля сили опору від властивості рідини або газу

Рис. 17. Залежності модуля сили опору від відносної швидкості тіла та навколишнього середовища

На малюнку 18 показано графік залежності сили опору від швидкості тіла. При відносній швидкості, що дорівнює нулю, сила опору не діє тіло. Зі збільшенням відносної швидкості сила опору спочатку зростає повільно, та був темпи зростання збільшується.

Рис. 18. Графік залежності сили опору від швидкості тіла

При низьких значеннях відносної швидкості сила опору прямо пропорційна величині цієї швидкості:

де – величина відносної швидкості; - Коефіцієнт опору, який залежить від роду в'язкого середовища, форми і розмірів тіла.

Якщо відносна швидкість має досить велике значення, сила опору стає пропорційною квадрату цієї швидкості.

де – величина відносної швидкості; - Коефіцієнт опору.

Вибір формули кожного конкретного випадку визначається дослідним шляхом.

Тіло масою 600 г рівномірно рухається горизонтальною поверхнею (рис. 19). При цьому до нього прикладена сила, величина якої дорівнює 12 Н. Визначити величину коефіцієнта тертя між тілом і поверхнею.

Тіла взаємодіють одне з одним по-різному. Один із видів взаємодії - тертя. Перш ніж розбиратися з тонкощами сухого та в'язкого тертя, відповімо на два питання. Що таке сила тертя і коли вона виникає?

Що таке сила тертя?

Сила тертя - сила, що виникає при дотику тіл і перешкоджає їх відносному руху.

Тертя виникає внаслідок взаємодії між атомами та молекулами тіл, коли вони стикаються один з одним.

Природа сили тертя – електромагнітна.

Як і будь-якої іншої взаємодії, для тертя справедливий третій закон Ньютона. Якщо одне з двох тіл, що взаємодіють, діє сила тертя, то така ж за модулем сила діє на інше тіло в протилежному напрямку.

Розрізняють сухе та в'язке тертя, силу тертя спокою, силу тертя ковзання, силу тертя кочення.

Сухе тертя - це тертя, яке виникає між твердими тілами за відсутності між ними рідкого або газоподібного прошарку. Сили тертя спрямована по дотичній до поверхонь, що стикаються.

Припустимо, що на тіло, наприклад, брусок, що лежить на столі, діє деяка зовнішня сила. Ця сила прагне зрушити брусок із місця. Поки тіла лежать, на брусок діють сила тертя спокою і, власне, зовнішня сила. Сила тертя спокою дорівнює зовнішній силі та врівноважує її.

Коли зовнішня сила перевищує деяке граничне значення F т р. m a x , брусок зсувається з місця. На нього так само діє сила тертя, але це вже не сила тертя спокою, а сила тертя ковзання. Сила тертя ковзання спрямована у бік, протилежний руху, і залежить від швидкості руху тіла.

При розв'язанні фізичних завдань силу тертя ковзання часто набувають рівної максимальної сили тертя спокою, а залежністю від сили тертя від відносної швидкості руху тіл нехтують.

На малюнку вище показані реальна та ідеалізована характеристики сухого тертя. Як бачимо, насправді сила тертя ковзання змінюється в залежності від швидкості, проте зміни не такі великі, щоб їх не можна було знехтувати.

Сила тертя пропорційна силі нормальної реакції опори.

F т р = F т р. m a x = μ N .

Що таке коефіцієнт тертя ковзання?

μ - коефіцієнт пропорційності, який називається коефіцієнтом тертя ковзання. Він залежить від матеріалів тіл, що стикаються, і їх властивостей. Коефіцієнт тертя ковзання - безрозмірна величина, що не перевищує одиниці.

Сили тертя кочення виникають під час кочення тіл. Зазвичай під час вирішення завдань ними нехтують.

В'язке тертя в рідинах та газах

В'язке тертя виникає під час руху тіл у рідинах та газах. Сила в'язкого тертя також спрямована у бік, протилежний руху тіла, але за величиною набагато менше сили тертя ковзання. Тертя спокою відсутнє при в'язкому терті.

Розрахунок сили в'язкого тертя складніший, ніж розрахунок сили тертя ковзання. При малих швидкостях руху тіла в рідині сила в'язкого тертя пропорційна швидкості тіла, а при високих швидкостях - квадрату швидкості. Коефіцієнти пропорційності при цьому залежать від форми тіл, також необхідно враховувати властивості самого середовища, в якому відбувається рух.

Наприклад, сили в'язкого тертя у воді та олії будуть відрізнятися, оскільки ці рідини мають різні в'язкості.

Якщо ви помітили помилку в тексті, будь ласка, виділіть її та натисніть Ctrl+Enter

Сила тертя - це міра протидії руху, спрямованому по дотичній до поверхні тіла, що торкається. Величина сили тертя (як складової реакції поверхні зв'язку) залежить від впливу тіла, що рухається або зміщується; вона спрямована проти швидкості чи зміщувальної сили та прикладена у місці зіткнення.

Сили тертя (дотичні реакції) виникають між тілами, що стикаються, під час їх руху один щодо одного (рис. 33)

Рис. 33. Сили тертя (Т):

a-ковзання динамічна; б- ковзання статична; в- момент тертя кочення (ориг.)

Розрізняють три види тертя: тертя ковзання, кочення та обертання. При ковзанні тіло, що рухається, стикається з нерухомим однією і тією ж частиною своєї поверхні (лижа ковзає по снігу). При коченні точки тіла, що рухається, стикаються з іншим тілом по черзі (колесо велосипеда котиться по треку). Повернення характеризується рухом на місці навколо осі (дзига).

Сила тертя ковзання динамічна (руху) проявляється при русі тіла, прикладена до ковзного тіла і спрямована в бік, протилежну відносної швидкості його руху. нормального тиску на опору (N): T дін = k дін N

Коли поверхні повністю розділені шаром мастила, то проявляється рідинне тертя 1 Воно існує між шарами рідини, а також між рідиною та твердим тілом. На противагу сухому тертю (між твердими тілами без мастила), рідинне тертя проявляється лише тоді, коли є швидкість. З зупинкою рухомих тіл рідинне тертя зникаєтому навіть найменша сила може повідомити швидкість шарам рідкого середовища, наприклад при русі твердого тіла у воді.

Інша картина при сухому терті. Якщо прикласти рушійну силу до тіла, що покоїться, то вона зможе зрушити тіло з місця лише тоді, коли стане більше сили тертя спокою, що перешкоджає руху. Таким чином , сухе тертя та рідинне принципово різні.

Сила тертя ковзання статична (спокою) проявляється у спокої, прикладена до тілу, що зрушується, спрямована в бік, протилежний зсувній силі. Статична сила тертя ковзання дорівнює зсувній силі, але не може бути більшою за граничну2; остання пропорційна статичному коефіцієнту тертя ковзання (k ст) та силі нормального тиску (N):Т ст = k ст N

Стало бути, статична сила тертя спокою може мати величину від нульової до граничної (Неповнаі повна). Мінімальна зсувна сила, що приводить тіло в рух, більше граничної сили тертя спокою.

Відношення між величиною нормальної опорної реакції (рівною силі нормального тиску) і граничною силою тертя спокою дорівнює тангенсу кута (а), який називається кутом тертя (або кутом зчеплення) (див. рис. 33 б).

Тангенс кута зчеплення дорівнює коефіцієнту тертя спокою.Фактичний кут сили тиску на опору у спокої не може бути більшим, ніж кут тертя. Це означає, що, поки лінія дії сили, прикладеної до тіла, проходить усередині кута тертя, тіло може бути зсунуто з місця. Лише коли лінія дії сили виявиться поза кутом тертя, тіло буде зсунуто.

На горизонтальній поверхні сила нормального тиску зазвичай представлена ​​статичною або динамічною вагою (людина нерухома або відштовхується від опори). Але можуть бути й інші джерела нормального тиску, наприклад при тиску, що чиниться ногами і спиною альпініста на стінки каміна (вертикальні ущелини в скелях),