1
2 Чому на ковзанах можна покататися по підлозі? Чому ж так важко йти по слизькій бруківці? А що дає нам можливість ходити, сидіти і працювати без побоювання, що книги і зошити впадуть на підлогу, що стіл буде ковзати, поки не упреться в кут, а ручка вислизне з пальців?
3 Щоб відповісти на ці питання, виконаємо досвід. Спробуй штовхнути стоїть на підлозі шафа - він і не ворухнеться! По-перше, його утримує інерція. Будь-який предмет (або як кажуть фізики "тіло") прагне зберегти стан спокою. Ось це властивість тіл і називають інерцією. Інерція - явище, яке зустрічається дуже часто. Тому навіть людей, яких важко привести в рух, називають інертними, тобто прагнуть до нерухомості. Але повернемося до нашого досвіду. Шафа утримує на місці не тільки інерція. Відріж чотири скибочки сирої картоплі. Попроси допомогти кого-небудь з дорослих і, по черзі піднімаючи кути шафи, підклавши по скибочці під кожну ніжку. Готово? Тепер знову натиснемо на шафу. Дивись - поїхав. Але ж ти штовхав не сильніше, ніж в перший раз. Значить, справа не в одній інерції. Щоб подолати інерцію, у тебе сил вистачило б. Нехай повільно, нехай поступово, але шафа все-таки б зрушився. А ось тертя ти не подужав. І допоміг тільки сиру картоплю. Виходить, що тертя не тільки ворог руху. Тертя - страж спокою. Якби не стало тертя спокою, це призвело б до непередбачених наслідків. Меблі гуляла б по кімнатах від легкого протягу. Ми не могли б ходити. Колеса машин без толку крутилися б в повітрі білизняні прищіпки, нічого не могли б утримати. З усіх гір сповзли б льодовики, все каміння і навіть вся земля, що лежить на схилах. Та хіба мало ще які відбулися б неприємності!
4 Сила тертя Сила тертя - це сила взаємодії дотичних поверхонь двох тіл. Сила ренію обчислюється за формулою: F тр = μ * N, μ N де μ - коефіцієнт тертя, а N - сила нормального тиску. N F F тр F тяж Особливістю сили тертя є те, що вона завжди спрямована проти руху тіла до якого прикладена:
6 Тертя Внутрішнє Внутрішнє - взаємодія між шарами одного тіла. Зовнішнє Зовнішнє - виникає на поверхні контакту двох тіл. Рідке (рух твердого тіла в рідині або газі) Сухе (виникає між поверхнями твердих тіл) Тертя спокою, ковзання Тертя спокою, ковзання Тертя кочення Тертя кочення
7 Поверхня твердого тіла зазвичай володіє нерівностями. Наприклад, навіть у дуже добре відшліфованих металів в електронний мікроскоп видно «гори» і «западини» розміром в Е. При стисненні тел зіткнення відбувається тільки в найвищих місцях і площа реального контакту значно менше загальної площі дотичних поверхонь. Тиск в місцях зіткнення може бути дуже великим, і там виникає пластична деформація. При цьому площа контакту збільшується, а тиск падає. Так триває до тих пір, поки тиск не досягне певного значення, при якому деформація припиняється. Тому площа фактичного контакту виявляється пропорційною стискає силі. У місці контакту діють сили молекулярного зчеплення (відомо, наприклад, що дуже чисті і гладкі металеві поверхні прилипають один до одного). Ця модель сил сухого тертя (так називають тертя між твердими тілами), по-видимому, близька до реальної ситуації в металах.
8 Якщо тіло, наприклад, просто лежить на горизонтальній поверхні, то сила тертя на нього не діє. Тертя виникає, якщо спробувати зрушити тіло, прикласти до нього силу. Поки величина цієї сили не перевищує певного значення, тіло залишається в спокої і сила тертя дорівнює за величиною і протилежна за направленням доданої силі. Потім починається рух. Може здатися дивним, але саме сила тертя спокою розганяє автомобіль. Адже при русі автомобіля колеса не прослизають щодо дороги, і між шинами і поверхнею дороги виникає сила тертя спокою. Як легко бачити, вона спрямована в бік руху автомобіля. Величина цієї сили не може перевищувати максимального значення тертя спокою. Тому якщо на слизькій дорозі різко натиснути на газ, то автомобіль почне буксувати. А ось якщо натиснути на гальма, то обертання коліс припиниться, і автомобіль буде ковзати по дорозі. Сила тертя змінить свій напрямок і почне гальмувати автомобіль. F тр
9 Сила тертя при ковзанні твердих тіл залежить не тільки від властивостей поверхонь і сили тиску (це залежність якісно така ж, як для тертя спокою), але і від швидкості руху. Часто зі збільшенням швидкості сила тертя спочатку різко падає, а потім знову починає зростати. Ця важлива особливість сили тертя ковзання якраз і пояснює, чому звучить скрипкова струна. Спочатку між смичком і струною немає прослизання, і струна захоплюється смичком. Коли сила тертя спокою досягне максимального значення, струна зірветься, і далі вона коливається майже як вільна, потім знову захоплюється смичком і т.д. Подібні, але вже шкідливі коливання можуть виникнути при обробці металу на токарному верстаті внаслідок тертя між знімається стружкою і різцем. І якщо смичок натирають каніфоллю, щоб зробити залежність сили тертя від швидкості більш різкою, то при обробці металу доводиться діяти навпаки (вибирати спеціальну форму різця, мастило і т.п.). Так що важливо знати закони тертя і вміти ними користуватися.
10 Візьмемо дерев'яний циліндр і покладемо його на стіл так, щоб він стосувався столу по котра утворює. У центри основ циліндра вставимо кінці дротяної вилки і прикріпимо до неї забезпечений дуже чутливий динамометр. Якщо тягнути за динамометр, то циліндр покотиться по столу. За свідченнями динамометра побачимо, що потрібна дуже невелика сила тяги, щоб зрушити з місця циліндр і котити його рівномірно далі, набагато менша, ніж при ковзанні того ж циліндра, якби він не обертався і ковзав б по столу. При тій же силі тиску на стіл сила тертя кочення багато менше сили тертя ковзання. Наприклад, при коченні сталевих коліс по сталевих рейках тертя кочення приблизно в 100 разів менше, ніж тертя ковзання. Тому в машинах прагнуть замінити тертя ковзання тертям кочення, застосовуючи так звані кулькові або роликові підшипники. Походження тертя кочення можна наочно уявити собі так. Коли куля або циліндр котиться по поверхні іншого тіла, він трохи вдавлюється в поверхню цього тіла, а сам трохи стискається. Таким чином, котиться тіло весь час як би укочується на гірку. Разом з тим відбувається відрив ділянок однієї поверхні від іншої, а сили зчеплення, що діють між цими поверхнями, перешкоджають цьому. Обидва ці явища і викликають сили тертя кочення. Чим твердіше поверхні, тим менше вдавлення і тим менше тертя кочення.
11 Крім сухого тертя існує ще так зване рідке тертя, що виникає при русі твердих тіл в рідинах і газах і пов'язане з їх в'язкістю. Сили рідкого тертя пропорційні швидкості руху і звертаються в нуль, коли тіло зупиняється. Тому в рідини можна змусити тіло рухатися, прикладаючи навіть дуже маленьку силу. Наприклад, важку баржу на воді людина може привести в рух, відштовхуючись то дна жердиною, а на землі такий тягар йому, звичайно, не зрушити. Ця важлива особливість сил рідкого тертя пояснює, наприклад, той факт, чому автомобіль «заносить» на мокрій дорозі. Тертя стає рідким, і навіть невеликі нерівності дороги, що створюють бічні сили, призводять до «заносу» автомобіля.
20 Втім, «закон зворотних квадратів» вже давно здавався багатьом майже очевидним. І справа тут не тільки в гіпнотизує прикладі закону всесвітнього тяжіння великого Ньютона; інший закон не дозволив би пояснити безліч спостережуваних фактів (наприклад, чому всередині ящика з провідними стінками, який би заряд на нього ні містився, ніяке електричне поле не відчувається). Закон Кулона відомий тепер, напевно, будь-якому школяреві. Але навряд чи багатьом відомо, яке мистецтво і спостережливість довелося проявити досліднику. Кулон зауважив попутно, що заряди досить швидко «стікають» з тіл, і правильно пояснив це тим, що повітря має деяку провідність; ця обставина ускладнювала експеримент, але воно саме стало важливим відкриттям. Багато хто знає, що закон взаємодії магнітних полюсів, також ретельно вивчений Кулоном, зовні дуже схожий на закон взаємодії електричних зарядів. Через це електростатика і магнітостатика довго представлялися в усьому подібними один одному, якщо не брати до уваги того дивного факту, що «магнітні заряди» протилежних знаків чомусь завжди зустрічаються попарно і ніколи окремо. Лише після робіт Ампера з'ясувалося, що магнітні поля постійних магнітів обумовлені не тим, що вони складаються з величезного числа маленьких магнітиків (як, зауважимо, вважав і Кулон), а електричними струмами, тобто рухом електричних зарядів. Сучасну класичну (тобто неквантовой) теорію електричних і магнітних явищ часто називають електродинаміки Фарадея і Максвелла. Звичайно, в написанні цієї найважливішої глави фізики почесне місце займають і багато інших чудових вчені, і в числі перших тут по праву має бути згадано ім'я Шарля Кулона.
21 Чи добре ти зрозумів, що таке інерція спокою, тертя. Тоді спробуй відповісти на питання: 1. Чому доктор біжить по льоду до травмованого хокеїстові дрібними кроками? 2. Що заважає малюкам влітку кататися з гірки на санчатах? 3. Чому водії лають "Лису гуму"? 4. Чому книги і посуд в шафах на падає з полиць? 5. Навіщо лижники використовують різні мазі? 6. Що допомагає школярам міцно сидіти за партами, крім великого бажання вчитися? 7. Чому так важко відчистити жуйку від одягу? 8. Чому автомобіль на мокрій або крижаній дорозі не може зупинитися швидко, навіть якщо його швидкість не дуже велика? 9. Спробуй щось утримати в намилених руках (тільки не б'ється!). Поясни, що відбувається.
22 Чим більше ми будемо вивчати закони тертя, тим складніше, а чи не простіше буде досить вони нам. Іншими словами, все глибше вникаючи в закон гальмування літака, ми все ясніше будемо розуміти його «фальш». Чим глибше погляд, чим акуратніше вимірювання, тим складніше стає істина; вона не постане перед нами як підсумок простих фундаментальних процесів. Тим більше людина розуміння того, що, розширюючи коло знань людина розширює коло своих не знань. вихід