ИЗУЧЕНИЕ СИЛЫ ТРЕНИЯ ПОКОЯ.
Даже самая малая сила должна была бы сообщать ускорение телу по II Закону Ньютона: F = ma. Так и происходит, если, например, тело находится на поверхности воды. Однако на суше это не так. Чтобы сдвинуть с места тело надо бывает приложить довольно заметную силу. Удерживает тело на месте сила сухого трения, которая отсутствует в жидкостях и газах.
Если с понятием силы трения скольжения ученики, как правило, знакомы не плохо, то, проявляющая здесь себя, сила трения покоя часто вызывает затруднения. По этой причине мы и взялись за создание этой анимации.
Цель работы: Изучить особенности силы трения покоя.
Описание установки. В окне анимации (см. справа) изображён лежащий на столе деревянный брусок с прицепленным к нему стрелочным динамометром, измеряющим силу от 0 до 3,0 Н. На брусок можно поставить от 0 до 3-х грузов, задав их количество в ячейке "Число грузов". Массы бруска, грузов, коэффициент трения дерева по дереву указаны в анимации. Поверхность на которой находится брусок, также можно сменить, при этом изменится и коэффициент трения.
При нажатии кнопку "Тянуть!" динамометр начинает тащить брусок вправо по направлению возникающей при этом стрелки. Его показания от этого увеличиваются. Эти данные для нас и будут предметом наблюдения.
Выполнение работы.
1. Поставьте на брусок все три груза. Так показания динамометра будут наибольшими, что удобнее для наблюдения. Приготовьтесь следить за всеми особенностями явления сухого трения.
2. Кликните кнопку "Тянуть!", В течение первых десяти секунд динамометр натянет нить, связывающую его с буском, его показания понемногу будут увеличиваться. Но, обратите внимание, брусок пока ещё не пришёл в движение (полоска цвета дерева под бруском, символизирующая стол, пока не движется относительно бруска).
3. Наконец, по истечении 10 секунд, брусок отрывается от стола и начинает условно, как и всё в анимации, двигаться равномерно относительно стола (см. на полоску цвета дерева). Ещё через 10 сек всё останавливается. Если вам не удалось заметить все особенности явления, вы можете повторить всё с начала столько раз, сколько вам будет нужно.
4. А обратили внимание, перед тем, как начать движение в момент, когда сила трения покоя превращается в силу трения скольжения, её величина чуть падает, стрелка динамометра немного возвращается назад. Отметьте себе этот факт, это важно! Однако при решении задач принято считать, что максимальная сила трения покоя примерно равна силе трения скольжения и вычисляется по одинаковой с ней формуле.
5. Разберёмся со всеми наблюдениями! При попытке сдвинуть тело с места возникает сила трения покоя, мешающая нашим намерениям. Наконец, когда наши усилия (обозначим их ка силу тяги F_тяг) становятся достаточными, тело сдвигается с места и, в нашем случае, движется равномерно. Физика понимает явления природы через свои понятия. Здесь, конечно, важно понимать, какие силы действуют на брусок в каждом случае, как они меняются по мере увеличения силы тяги F_тяг, как это сказывается на характере движения бруска.
6. Всегда важный для физики вопрос, от чего зависит сила трения покоя F_пок? Для этого физики в эксперименте меняют что-то одно, оставляя другие параметры максимально неизменными. Что мы можем попробовать? Будем, например менять число грузов: 0, 1, 2, 3, другими словами силу реакции опоры N. Измерьте силу трения покоя для этих четырёх случаев. Какие выводы вы можете сделать из ваших наблюдений? Как ведёт себя сила трения покоя F_пок при смене силы, прижимающей две поверхности друг к другу? Как ведёт себя сила трения покоя максимальная F_{пок макс}? Опишите свои эксперименты и свои выводы, вытекающие из ваших наблюдений.
7. Теперь попробуем менять поверхность, на которой находится брусок с грузами. Для опытов снова возьмём три груза. Меняйте коэффициент трения μ (нижнюю поверхность) и наблюдайте за изменениями в поведении F_пок и F_{пок макс}. Сделайте вывод. Опишите свои эксперименты в тетради, запишите туда выводы из наблюдений. Это важно понимать, ибо сила трения покоя позволяет телам находиться на своих местах, а не скользить беспрестанно, помогает нам при ходьбе (разберитесь и с этим случаем), помогает начать движение автомобилю и совершить поворот (да,да, хотя колёса автомобиля и крутятся во время движения, одна точка их неподвижна относительно дороги, точка касания колеса дороги, и , не дай бог, она начнёт скользить по дороге - беды не избежать).
8. Используйте эти выводы для ответов на контрольные вопросы (см. ниже), при необходимости повторите эксперименты. Для некоторых задач приведены решения, прилично всё же попробовать сначала не подглядывать в них, а решить самостоятельно.