Силы трения скольжения. Сила упругости. Закон Гука

Сила трения — сила, возникающая при соприкосновении поверхно­стей тел, препятствующая их относительному перемещению, направ­ленная вдоль поверхности соприкосновения.

При соприкосновении твердых тел возможны три вида трения: трение покоя, трение скольжения, трение качения.

Сила трения скольжения всегда направлена в сторону, противоположную относительной скорости соприкасающихся тел (рис. 6.1).

Когда возникает движение одного тела по поверхности другого, связи между атомами первоначально неподвижных тел разрываются, трение уменьшается. При дальнейшем относительном движении тел трение остается посто­янным и становится меньше силы трения покоя. Сила трения скольжения пропорциональна силе нормального давления и, следовательно, силе реакции опоры: где µ — коэффициент трения скольжения, который меньше коэффициента трения покоя и зависит от свойств соприкасающихся поверхностей.

Коэффициент трения не зависит от площади соприкасающихся поверхно­стей и от относительного положения тел. Сила трения зависит от относитель­ной скорости тел. Эта зависимость состоит в том, что при изменении направ­ления скорости изменяется и направление силы трения. Трение между сопри­касающимися телами называют сухим трением. Для уменьшения трения применяют смазку. В результате смазки тело движется, соприкасаясь с жид­костью или газом. В этом случае тоже возникает сила, параллельная поверх­ности соприкосновения и направленная против движения. Сила жидкого тре­ния, иногда ее называют силой сопротивления, много меньше сил сухого трения. Например, порой невозможно сдвинуть плот, находящийся на берегу, и довольно легко это сделать, если плот находится в воде.

Для уменьшения сил сопротивления движущимся телам придают обте­каемую форму. Обтекаемую форму имеют самолеты, подводные лодки, рыбы и животные, обитаемые в воде. При деформации тел изменяются расстояния между молекулами вещества, в деформи­рующем теле возникает сила, препятствующая де­формации.

Сила, вызванная деформацией тел и препятст­вующая изменению объема тела, называется силой упругости. Причиной деформации является движение одних частей тела относительно других. Особенность силы упругости состоит в том, что она направлена перпендикулярно поверхности соприкосновения тел. В пружинах, стержнях и шнурах сила упругости на­правлена вдоль их осей (Рис. 6.21.)

Сила упругости, возникающая при деформации тела, пропорциональна удлинению тела и направлена противоположно направлению перемещения частиц тела относительно других частиц при деформации. Эта зависимость носит название закона Гука.

Если тело восстанавливает перво­начальные формы, то оно обладает упругой деформацией, если не вос­станавливает — пластической. Рас­смотрим деформацию растяжения твердого тела (рис. 6.31.)

В любом сечении деформирован­ного тела действуют силы упругости, препятствующие разрыву этого тела на части.

Отношение модуля силы упругости F к площади поперечного сече­ния S тела называют механическим напряжением:

σ= F/S. Экспериментально было установлено: при малых деформациях на­пряжение прямо пропорционально относительному удлинению:

σ = Е|ε|.

Относительное удлинение ε берется по модулю, так как закон Гука справедлив не только для деформации растяжения, но и для деформации сжатия. В этом случае относительное удлинение будет меньше нуля.

Коэффициент пропорциональности Е, входящий в закон Гука, называют модулем упругости, или модулем Юнга. Модуль Юнга для большинства материалов определен экспериментально, исходя из последней формулы. Модуль Юнга характеризует сопротивляемость материала упругой дефор­мации растяжения или сжатия.

Если в формулу σ = Е|ε|подставим σ= F/S и ε = —', получим:

S 10

S 10

SE Отсюда F = —|д/|.

Обозначим — = к, тогда F = к\Щ.

Таким образом, жесткость к стержня прямо пропорциональна произведению модуля Юнга на площадь поперечного сечения стержня и обратно пропорцио­нальна его длине. Закон Гука выполняется при небольших деформациях. Максималь­ное напряжение (рис. 6.4), при котором выполняется еще закон Гука, называют пределом пропорциональности.

Если увеличивать нагрузку, то дефор­мация становится нелинейной, напряжение перестает быть прямо пропор­циональным относительному удлинению. Однако при небольших нелиней­ных деформациях после снятия нагрузки форма и размеры тела практиче­ски восстанавливаются {участок АВ диаграммы). По мере увеличения на­грузки деформация нарастает быстрее. При некотором значении напряже­ния, соответствующем на диаграмме точке С, удлинение нарастает практически без увеличения нагрузки. Это явление называют текучестью материала (участок CD).

С увеличением деформации кривая напряжений начинает немного воз­растать и достигает максимума в точке Е. Затем напряжение резко спадает, и образец разрушается (точка К), т.е. разрыв происходит после того, как напряжение достигает максимального значения, называемого пределом прочности. Эта величина зависят от материала образца и от качества его обработки. Тела, не обнаруживающие остаточных деформаций при сравни­тельно больших напряжениях и деформациях, называют упругими.

2. Экспериментальное задание по теме «Магнитное поле»: на­блюдение взаимодействия постоянного магнита и катушки с током (или обнаружение магнитного поля проводника с током при помо­щи магнитной стрелки)

В вашем распоряжении имеет­ся проволочная катушка, соедини­тельные провода, разъединительный ключ, источник постоянного тока, дугообразный магнит, ми­лиамперметр.

Соберем электрическую цепь согласно рис. 6.5.

1. Поднесите к висящей ка­тушке магнит и после этого замкните ключ. Пронаблюдайте движение мотка.

2. Выберите несколько вариантов относительно катушки и магнита. Укажите направление магнитного поля, направление тока и предполагаемое движение катушки относительно магнита

3. Применив правило правого винта (правило буравчика) и правило ле­вой руки, проверьте правильность предположений о характере и направле­нии движения катушки.

3. Текст по разделу «Молекулярная физика», содержащий опи­сание опыта. Задание на формулировку гипотезы опыта, условий его проведения и выводов.

Огонь из «ничего»

Возьмем толстостенный сосуд, сделанный из оргстекла (рис. 6.6). Соcуд имеет диаметр порядка 40мм и высоту около 160 мм. Вблизи дна сосуда имеется плотно закрывающееся отверстие. Внутри сосуда может перемещаться хорошо пригнанный к стенкам поршень с ручкой. Положим на дно цилиндра смоченный эфиром кусочек ваты и быстро опустим поршень вниз. Сквозь стенки прозрачного сосуда мы видим ярко вспых­нувшее пламя. Нагревание воздуха при быстром сжатии нашло применение в двигателях Дизеля.

В цилиндр двигателя заса­сывается атмосферный воздух, и в тот момент, когда наступает его максимальное сжатие, туда вспрыски­вается жидкое топливо. К этому моменту температура воздуха так велика, что горючее самовоспламеняется. Двигатели Дизеля имеют больший коэффициент по­лезного действия, чем обычные, но более сложны в изготовлении и эксплуатации. Сейчас все большее количество автомобилей снабжается двигателями Дизеля.

Ответьте на вопросы к тексту:

1. Почему опыт не удается, если воздух в цилиндре сжимать медленно?

2. Почему для проведения опыта берется именно эфир?

3. Какой из двигателей: карбюраторный двигатель внутреннего сгорания или двигатель Дизеля более экологичный?

4. Почему у двигателей Дизеля больше КПД чем у карбюраторных двигателей?

БИЛЕТ № 7

Поиск по сайту: