Действует ли сила трения на неподвижный автомобиль: Действует ли сила трения на неподвижный автомобиль

Силы, действующие на автомобиль

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Кимстач В.В. 1

---

1ГБПОУ ЛО «Мичуринский многопрофильный техникум»

Козырева А.Г. 1

---

1ГБПОУ ЛО «Мичуринский многопрофильный техникум»

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение

Нашу современную жизнь трудно представить без автомобиля. Нет такой профессии на Земле, представитель которой не нуждался бы в автомобиле. На автомобиле или на автобусе мы добираемся до места назначения. Когда выходишь из дома, то почти сразу мы видим автомобиль.

Первый автотранспорт был изобретен много лет назад. Он восхищал своей эксклюзивностью и новаторством. Сейчас в мире представлены тысячи различных моделей машин, которые рассчитаны на разных потребителей. Но часто ли водители задумываются над следующими вопросами.

Каковы причины движения автомобиля? Какие силы действуют на автомобиль?

В нашей работе мы попытаемся ответить на это вопросы, используя специальную литературу. Рассмотрим какие внешние силы действуют на автомобиль во время движения по прямой и наклонной поверхности. Определим какие силы препятствуют, а какие способствуют движению автомобиля. Отдельное внимание уделим процессу торможения, так как с помощью тормозов можно не только остановить и удержать машину на месте, но и преодолеть скользкий участок, опасный поворот, развернуться и даже перескочить неширокую канаву или выбоину.

Силы, действующие на автомобиль

Автомобиль, преодолевающий подъем, одновременно движется вверх и вперед. В общем случае на подъеме при ускоренном перемещении автомобиля на него действуют силы, движущие его, силы оказывающие сопротивление движению автомобиля, и силы, составляющие нормальные реакции дороги на передние Z

п и задние Z_з колеса, вызванные перпендикулярной плоскости дороги составляющей силы тяжести автомобиля.

Покрышка соприкасается с дорогой бесконечно большим числом точек. В каждой из этих точек на покрышку действует бесконечно малая сила — элементарная реакция дороги. Равнодействующую элементарных сил, которая действует со стороны дороги на колесо в области контакта, называют реакцией дороги.

Силы, движущие автомобиль, возникают в результате взаимодействия ведущих колес автомобиля с дорогой и называются силами тяги F_т (рис. 1).

К силам, оказывающим сопротивление движению автомобиля, относятся силы сопротивления качению передних Р_ск.п. и задних Р_ск.з. колес, действующие в плоскости дороги; сила сопротивления подъему Р

сп, сила сопротивления воздуха F_св, сила инерции F_и , приложенная к центру масс ЦМ автомобиля и на­зываемая силой сопротивления разгону.

Силы Z_п и Z_з составляют нормальные реакции дороги на передние и задние колеса соответственно. Они вызваны перпендикулярной плоскости дороги, составляющей GN силы тяжести G автомобиля с полной нагрузкой.

Рис.1

Рис.1

Рис.1. Внешние силы, действующие на автомобиль во время движения: ЦМ- центр масс; G — Сила тяжести автомобиля с полной нагрузкой;

GN — составляющая силы тяжести, перпендикулярная плоскости дороги; Р_сп^_ сила сопротивления подъему; Р_ск.п , Р_ск.з — сила сопро­тивления качению передних и задних колес; F_св — сила сопротивления воздуха; F

т — сила тяги; F_и^— сила инерции; a — угол, характеризующий крутизну подъема; Н- превышение дороги; S- заложение дороги; Zn, Z_з— нормальные реакции дороги на передние и задние колеса.

Сила сопротивления качению

Сила сопротивления качениюР_ск постоянно мешает движению и представляет собой целую совокупность сил. Это силы, деформирующие и перемещающие грунт; деформирующие шины; силы трения колес о колею; силы, образующиеся при преодолении выбоин, и т. п.

Принято считать, что:

Р_ск = f·G,

где: Р_ск — сила сопротивления качению;

f = 0,015 — 0,3 — коэффициент сопротивления качению, учитывающий состояние дороги, давление в шинах и пр.;

G — сила тяжести автомобиля.

Сила сопротивления качению Р_ск составляет подобающую долю от силы тяжести автомобиля.

Сила сопротивления подъему

Сила сопротивления подъемуР_сп — Крутизну подъема охарактеризовывают углом в градусах (см. рис. 1) или же уклоном дороги i, который представляет собой отношение превышения Н дороги к заложению S, т. е. Силу тяжести G автомобиля, преодолевающего подъем, можно разложить на две составляющие: на силу Р_сп, параллельную дороге, и силу Gn=G-cosα, перпендикулярную ей.

Силу Р_сп= G-sinα, называют силой сопротивления подъему, где

Также силу сопротивления подъему выражают формулой

При перемещении на спуске сила Р_сп ориентирована в сторону перемещения автомобиля и, следовательно, меняет свой знак (рис. 1, в) и, в отличие от силы сопротивления качению, может стать и движущей. Вследствие этого угол а и уклон дороги i считают положительными при перемещении автомобиля на подъеме и отрицательными при его перемещении на спуске.

При перемещении автомобиля на подъеме силу Р_сп можно объединить с Р_ск, а поскольку обе эти силы пропорциональны силе тяжести автомобиля, то:

При перемещении автомобиля под уклон

Сила сопротивления воздуха (аэродинамическое сопротивление)

Сила сопротивления воздуха F_св— данная сила считается следствием давления встречных частиц воздуха на движущийся автомобиль, разрежения, образующегося позади автомобиля, завихрения воздуха вокруг автомобиля и трения воздуха о поверхность автомобиля. В каждой точке поверхности автомобиля в итоге соприкосновения его с воздушной средой появляются элементарные силы, нормальные к поверхности и касательные к ней. Для упрощения расчетов элементарные силы сопротивления воздуха, распределенные по всей поверхности автомобиля, заменяют сосредоточенной силой сопротивления воздуха F

CB. Опытным путем установлено, что сила сопротив­ления воздуха равна

k_в — коэффициент сопротивления воздуха, зависящий от формы и качества отделки поверхности автомобиля 0,20 — 0,30H·m⁴;

S_л — лобовая площадь автомобиля;

V — скорость движе­ния автомобиля.

Из формулы видно, что сопротивление воздуха находится в зависимости от скорости автомобиля, его обтекаемости, величины площади попе­речного сечения, плотности воздуха. Существенное значение F_св приобретает только при высоких скоростях, так как зависит от квадрата скорости.

Сила, разгоняющая автомобиль.

Для автомобиля характерным считается неравномерное движение. Показателями разгона являются ускорение, время и путь разгона. В общем случае перемещения автомобиля сила тяги F

т уравновешивается силами сопротивления перемещения:

При разгоне автомобиля, т. е. при перемещении автомобиля с ускорением а, появляется сила инерции F_и автомобиля, противодействующая разгону, равная

где m — масса автомобиля;

а — ускорение автомобиля.

Влияние инерционного момента вращающихся масс учитывается коэффициентом  относительного увеличения массы автомобиля, предусматривающим воздействие вращающихся масс, показывающим, во сколько раз сила, необходимая для ускорения автомобиля, больше силы инерции его поступательно движущейся массы.

В соответствии с этим общая сила сопротивления разгону

Величина ≈1,05 + 0,05·n_кп,

n_кп — передаточное число коробки передач, на которой производится разгон.

Мощность, которая имеется для обеспечения ускорения, представляет собой разность между мощностью, требующейся при данных условиях для преодоления сопротивления движения, и мощностью, подводимой к ведущим колесам.

Мощность, важная для перемещения автомобиля с ускорением

V — скорость автомобиля.

Из приведенной формулы видно, что чем автомобиль легче, тем большее ускорение получится развить при схожей мощности мотора.

В случае если автомобиль движется без разгона (Fp = 0 и F_и = 0), вся сила тяги тратится на преодоление сил сопротивления, и равна:

В случае, когда автомобиль замедляет ход, сила тяги становится меньше суммарной величины сил, препятствующих перемещению.

Сила тяги автомобиля.

Энергия от мотора к ведущим колесам передается через трансмиссию: сцепление, коробку передач, карданную передачу, главную передачу, дифференциал и полуоси. Благодаря наличию в трансмиссии коробки передач и главной передачи, суммарный крутящий момент М

кр на ведущих колесах автомобиля больше момента мотора М_дв.

Крутящий момент М_кр вызывает в месте контакта колеса с дорогой касательную реакцию дороги, движущую автомобиль, т. е. силу тяги. На теоретическом уровне ведущее колесо взаимодействует с дорогой в одной точке (практически же — в «пятне контакта»). Активной в этой точке является сила, с которой колесо «толкает» дорогу. Вот тут-то и появляется ответная (реактивная) сила F_T реакции дороги, которая «толкает» машину. Величина силы тяги равна отношению крутящего момента на полуосях к радиусу ведущих колес, т. е., М_кр -крутящий момент на колесе,

R — статический радиус колеса.

Таким образом, для определения силы тяги необходимо знать радиус R ведущего колеса и момент М

кр. Так как на колеса автомобиля установлены эластичные пневматические шины, то радиус колеса во время движения изменяется под влиянием действующих на колесо сил. Различают статический радиус колеса ( расстояние от поверхности дороги до оси неподвижного колеса, значение которого приводится в технической характеристике шины), динамический радиус колеса (расстояние от поверхности дороги до оси катящегося колеса) и радиус качения колеса (радиус условно недеформирующегося кольца, имеющего с данным эластичным колесом схожую угловую и линейную скорости). Для простоты расчетов силы тяги считают радиус колеса постоянным и равным статическому радиусу колеса.

Сила сцепления шины с дорогой

Сила сцепления покрышки с дорогой Р_сц. Для того чтобы автомобиль имел возможность стабильно ехать, тормозить и поворачивать, необходимо надежное сцепление покрышек с дорогой. Сила сцепления Р_сц находится в зависимости от сцепного веса автомобиля и скорости перемещения автомобиля, а также от состояния дороги и покрышек: где:

G_сц — сцепной вес автомобиля,

ᵠ_сц^— коэффициент

Коэффициент сцепления покрышек с дорогой определяет проходимость автомобиля при перемещении по влажному грунту и по скользкой дороге.

Сцепной вес автомобиля возможно, увеличить, увеличивая количество ведущих колес или смещая центр тяжести в сторону ведущего моста.

От сцепления колес с дорогой зависят максимально вероятные силы тяги и торможения, а также боковая устойчивость автомобиля.

Если сила тяги приложенная к колёсам превышает силу сцепления, то при попытке тронуться с места ведущие колеса автомобиля пробуксовывают. Если тормозная сила колеса больше силы сцепления, колесо блокируется. И в том и в ином случаях возникает юз — проскальзывание колеса относительно опоры. Юз наступает тогда, когда скорость точки касания колеса с дорогой не равна нулю относительно дороги. В случае если эта точка неподвижна относительно дороги, колесо не будет проскальзывать до тех пор, пока действующие на него в точке касания силы не превысят силы трения покоя.

Автомобиль движется благода­ря наличию силы трения покоя. Ведь, если бы этого трения не было, колеса всегда проскальзывали бы относительно опоры, т. е. прокручивались бы при попытке разогнать автомобиль и блокировались бы при попытке его остановить. И если на льду колесо буксует или скользит, это означает, что соответственно силы тяги или торможения превышают силу трения (Р_сц применительно к автомобилям). Очевидно, что условием движения автомобиля без юза являются соотношения:

F_T < Р_сц — для движения под действием силы тяги;

Р_торм < Р_сц — для движения под действием тормозной силы.

При полной загрузке автомобиля положение улучшается, зато при уменьшении значения коэффициента сцепления ᵠ_сц, а оно может уменьшиться в 10 раз (например, в гололед), максимально допустимая сила тяги также уменьшается в 10 раз. Значение коэффициента сцепления зависит прежде всего от типа и состояния дороги, рисунка и степени износа протектора покрышек, давления в шинах и скорости вращения колес. При управлении автомобилем следует учитывать все эти факторы.

Торможение.

Торможение это процесс, во время которого кинетическая энергия движущегося автомобиля в результате трения преобразуется в теплоту и рассеивается в окружающем пространстве. Трение создается тормозными механизмами, установленными на каждом колесе.

Во время торможения на колесо одновременно происходят два взаимо-связанных явления: во-первых, в результате работы тормозного механизма создается тормозной момент М_т, который препятствует вращению колеса; во-вторых, в результате взаимодействия покрышки с дорогой возникает момент сцепления М_сц, стремящийся поддержать вращение колеса.

При торможении элементарные силы трения, возникающие в паре трения «колодки — тормозной барабан », создают момент трения М_т, направленный в сторону, противоположную вращению колеса, а между колесом и дорогой возникает тормозная сила Р_торм —

При полном торможении колесо блокируется и происходит рассеивание энергии в месте контакта покрышки с дорогой. В случае экстренного торможения на горизонтальной дороге, движущей силой является сила инерции автомобиля, а основной силой сопротивления движению является суммарная тормозная сила всех колес.

При рабочем торможении колесо вращается, а энергия рассеивается в тормозном механизме.

При идеальном торможении вся энергия движения автомобиля (mV²/2) превращается в тепло. Максимально возможное при торможении замедление:

g — ускорение свободного падения.

Но это лишь теоретически возможное замедление. Реально же значение замедления а меньше по многим причинам.

Во время экстренного торможения тормозной путь окажется равен:

V — скорость автомобиля, измеряемая в м/с, в момент начала торможения;

а — максимально возможное замедление автомобиля при торможении.

Формулы наглядно демонстрируют, что, если в результате изменения дорожных или погодных условий значение ᵠ_сц упало, во столько же раз снижаются максимально возможные сила торможения и замедление автомобиля.

Длина тормозного пути прямопропорциональна квадрату скорости автомобиля в момент начала торможения.

Из практики известно, что юз задних колес наступает чаще юза передних так как при торможении у автомобиля опускается передняя часть.

Это объясняется тем, что при торможении автомобиля сила инерции F_H, которая приложена к ЦМ, действуя на плече Н (рис. 2, б), и тормозные силы Р_торм, лежащие в плоскости дороги, образуют относительно ЦМ тормозной момент М_торм, который вызывает перераспределение нормальных нагрузок между передним и задним мостами. При этом нагрузка на передние колеса увеличивается, а на задние уменьшается. Поэтому нормальные реакции Z_п и Z_з, действующие соответственно на передние и задние колеса автомобиля во время торможения, значительно отличаются от нагру­зок G_п и G_з, которые они воспри­нимают в статическом состоянии

Во время резкого торможения автомобиля реакция на переднюю ось у легковых автомобилей может возрасти в 1,5 — 2 раза, а на заднюю ось уменьшиться в 0,5 — 0,7 раза.

Степень распределения суммарной нагрузки по осям при торможении зависит от высоты расположения центра масс и от расстояния между осями. С уменьшением нагрузки на заднюю ось допустимые тормозные усилия на задних колесах уменьшаются, а на передних — увеличиваются; следовательно, при торможении задние колеса более склонны к юзу.

Рис.2

Рис.2. Силы, действующие на ав­томобиль при торможении и остановке: ЦМ — центр масс; Н — расстояние между ЦМ и пло­скостью дороги; Р_торм — тор­мозная сила; М_торм — тормозной момент; G — вес автомобиля;G_сц — сцепной вес автомобиля

Рис.3

Рис.3. Силы сцепления колеса с дорогой, действующие в пятне контакта колеса: F_т -сила тяги; F́_т— сила тяги при интенсивном разгоне; Р_торм -сила торможения;

Р́_торм — сила торможения при интенсивном замедлении; Р́_бок.сц. — поперечная сила сцепления при интенсивном разгоне или торможении; Р_{бок. сц.} — поперечная сила сцепления; Р_сц — сила сцепления.

В процессе торможения реакция на передние колеса увеличивается, а на задние уменьшается. Поэтому для полной реализации силы сцепления при экстренном торможении необходимо, чтобы тормозные силы были пропорциональны нормальным реакциям. Исходя из этого делают так, чтобы передние колеса тормозили настолько сильнее, насколько больше при торможении они прижимаются к дороге. Это позволяет при торможении получить наибольшую тормозную силу, поскольку сила сцепления каждого колеса пропорциональна приходящейся на него нагрузке.

Для того чтобы предотвратить блокировку задних колёс применяется регулирование давления в тормозном приводе, которое обеспечивает ограничение роста давления в тормозных механизмах задних колес при уменьшении реакции на задние колеса автомобиля. Клапан регулятора давления перекрывает подвод жидкости к тормозным механизмам задних колес в случае, когда давление в ее тормозном контуре возрастает до предельного, угрожающего блокировкой колес. Более совершенные антиблокировочные системы с электронными датчиками скорости вращения колес предотвращают блокировку колес при любых значениях коэффициента сцепления.

Заключение

В настоящей работе были рассмотрены силы, действующие на автомобиль. К ним относятся:

Сила сопротивления качению, которая всегда препятствует движению и возникает вследствие деформации шин и поверхности дороги;

Сила сопротивления подъему может быть направлена как в сторону движения, так и против него. В процессе подъема она действует в направлении, противоположном движению, и является силой сопротивления движению. При спуске эта сила, направленная в сторону движения, становится движущей;

Сила сопротивления воздуха зависит от коэффициента сопротивления воздуха, лобовой площади и скорости движения автомобиля;

Сила разгоняющая автомобиль, которая зависит от ускорения, времени и пути разгона;

Сила тяги автомобиля возникает при передачи крутящего момента с двигателя на колеса и для её определения необходимо знать радиус ведущего колеса;

Сила сцепления шины с дорогой зависит от сцепного веса автомобиля и скорости движения, она нужна для того, чтобы автомобиль мог устойчиво двигаться, тормозить и поворачивать.

Эти силы, действующие на автомобиль во время движения, влияют на изменения показателей эффективности работы автомобиля. К этим показателям можно отнести скоростные свойства автомобиля, топливная экономичность, износ деталей автомобиля, аэродинамические свойства.

Учет этих показателей позволит повысить эффективность использования автомобильного транспорта, и сократить число дорожно-транспортных происшествий.

Литература

Ваганов В.И. Вождение автотранспортных средств / Ваганов В.И., Рывкин А.А. — М.:Транспорт, 1990 – 224 с.

Горбачев М.Г. Безопасное вождение современного автомобиля / Горбачев М.Г. – м.: Рипол Классик, 2007 — 232

Калисский В.С. Автомобиль: Учебник водителя третьего класса / Калиссий В.С., Манзон А.И., Нагула Г.Е. – 5-е изд.,стереотип. – М.: Транспорт, 1980. – 368 с.

Николенко В.В. Вождение автомобиля. Практическое пособие / Николенко В.В. – 1991 — 62 с.

Тимовский А. А. Основы управления автомобилем и безопасность дорожного движения / Тимовский А.А., Нестеренко В.Б. – Арий, — 2009, 146 с.

Шухман Ю.И. Основы управления автомобилем и безопасность движения / Шухман Ю.И. – м,: ООО «Книжное издательство «За рулем», 2006.-160 с.

Интернет-источники

https://www.nkj.ru/archive/articles/9606/ (Наука и жизнь, О ТОРМОЗАХ И ТОРМОЖЕНИИ)

https://www.auto.sumy.ua/autofirm/advance/1

http://ustroistvo-avtomobilya.ru/teoriya/sily-dejstvuyushhie-na-avtomobil-pri-dvizhenii/

http://www.znaypdd.ru/forces.php

Просмотров работы: 9450

Понятие механики.1

Рис.1 в изображении

 Сила (фиг.1.1) –зто внешнее воздействие, способное измененить состояние покоя или движения тела. Чтобы привести в движение неподвижный автомобиль, требуется сила (двигатель). Чтобы прекратить движение автомобиля, также требуется сила (обычно применяя тормоз). Единица измерение силы — Ньютон (Н).

Рис.1.2 в изображении

 Сила тяжести — фиг. 1.2. Это — сила, приложенная к телу данного веса землей. Это притяжение заставляет тело без опоры, приподнятое над землей, падать в вертикальном направлении.

Рис.1.3 в изображении

 Равновесие сил – фиг. 1.3. Две или больше силы, приложенные к телу, находящемуся в состоянии равновесия, действуя одновременно, не изменяют его движение или состояние покоя.

Пример:
Сила натяжения нити, на которой подвешено тело, находится в равновесии с гравитационными силами, действующими вниз на это тело.
Статическая сила – фиг.1.4. Это сила, которая действует, но не приводит тело в движение. Когда пловец остается все еще на конце упругого трамплина, он воздействует на него, статическая сила равняется весу его тела. Трамплин будет в равновесии после изгиба, поскольку сила, приложенная к его концу, будет соответствовать весу пловца.
Динамическая сила – фиг. 1.5. Эта сила, оказывающая влияние или приложенная к телу в движении. Например, если пловец подпрыгивает и вызывает колебания трамплина, то сила, соответствующая его весу является динамической, потому что она причина движения трамплина.
Скорость «V» — фиг. 1.6. и 1.7. Это — расстояние, которое проходит движущееся тело за данный период времени. При равномерном движении, скорость постоянна с момента начала движения тела, то есть V = S : t
При равноускоренном движении, скорость прямопропорциональна времени. Для тела, начинающегося с нулевой скоростью: V = a • t Ускорение «а» (фиг.1.7). Это – увеличение скорости тела каждую секунду в равноускоренном движении или, другими словами, когда происходит равномерное увеличение скорости за одинаковые промежутки времени. Если расстояние, пройденное за время t известно, значение ускорения:
a = 25 : t²
Отношение между массой и весом – фиг. 1.8. Масса «m» тела — количество вещества, то есть число молекул, из которого состоит тело. Масса «m» любого тела обладает большим весом на высоте 1000 метров, чем — на 6000 метрах. Это разность масс возникает из-за эффекта уменьшения силы тяжести с увеличением высоты положения тела над поверхностью земли. В отсутствии гравитации, вес P тела массой m равен нулю. Единица массы — килограмм (кг).
Отношение между силой и массой – фиг. 1.9. Если непрерывная и постоянная сила Fm приложена к телу, находящемся в равновесии, это тело будет двигаться равномерно по направлению действия силы. Отношения между приложенной силой и результирующим ускорением постоянны для тела и называются массой.
Fm = m • a Это означает, что, если сила Fm приложена к массе m, то тело будет двигаться с ускорением a. Если сила станет равной 2Fm, ускорение 2a, то есть тело переместится на расстояние в два раза большее за то же самое время. Единица силы — Ньютон (Н).

Кинетическая энергия – фиг. 1.10. Каждое тело при движении обладает способностью выполнять работу, или оно обладает энергией, нахождясь в движении. Эта энергия может быть рассчитана формулой: E = 1/2 m • V2. Энергия измеряется в Джоулях. Если эта энергия не требуется, она должна быть преобразована соответствующим способом прежде, чем она реализуется. В случае с автомобилем, его тормоза применяются прежде, чем он столкнется со стеной.

Силы трения – фиг. 1.11 и 1.12. Это силы, возникающие между двумя телами в движении и которые препятствуют движению тел. Существуют два основных типа сил трения: трение качения и трение скольжения.

Трение скольжения Это — реактивная сила, которая действует на тело, если оно скользит по поверхности другого тела. Степень реакции зависит от материала соприкасающихся тел, плоскости, по которой тело скользит и смазки поверхностей (если она имеется).
Эта реакция пропорциональна силе нормального (перпендикулярного) давления тела на плоскость рабочей поверхности. Она не зависит от площади поверхности контакта. Сила трения покоя в 1,5…3 раза больше, чем сила трения движения. Это вызвано эффектом сцепления шероховатых поверхностей, принимая во внимание, что движущиеся поверхности в меньшей степени подвержены эффекту сцепления. Сила, требуемая, для преодоления реакцию трения (или потери) может быть рассчитана, умножая вес тела на коэффициент «c». (Коэффициент, устанавливаемый экспериментально):
F = P • c.

Примеры:
для железа по железу с = 0,20 для сухих поверхностей, с=0,1 для смазанных поверхностей;
для чугунной отливки по чугунной отливке с=0,12 для сухих поверхностей, с=0,07 для смазанных поверхностей.

Трение качения
Это — реактивная сила, воздействующая на тело, катящегося по другому телу. Его значение зависит от контактирующих материалов. Сила пропорциональна давлению, приложенному к плоскости контакта тел. Она обратно пропорциональна длине катящегося тела и его радиусу. Для подобных условий, если длина возрастает, тело подвергается меньшему трению, потому что давление на единицу площади уменьшается. Если радиус увеличен, сила распределена по большей поверхности. Коэффициент трения качения для металлических поверхностей от 0,002 до 0,003.

Сила трения. – «Как управлять автомобилем на скользкой дороге» Сила сопротивления разгону

400. Зачем в гололедицу тротуары посыпают песком?
Для того, чтобы увеличить коэффициент трения. В этом случае вероятность поскользнуться и упасть будет меньше.

401. Зачем зимой задние колеса некоторых грузовых автомобилей перевязывают цепями?
Для того, чтобы увеличить коэффициент трения и тем самым практически не допустить проскальзывания между колесами автомобиля и обледенелым участком полотна дороги.

402. Для чего при спуске воза с горы одно колесо телеги иногда закрепляют так, чтобы оно не вращалось?
Чтобы увеличить трение между телегой и дорогой. В этом случае скорость телеги будет не очень, большой, зато безопасной для спуска.

403. Зачем на шинах автомашин, колесных тракторов делают глубокий рельефный рисунок (протектор)?
Для увеличения коэффициента трения между колесами и дорогой. В этом случае сцепление с землей будет более эффективным.

404. Зачем осенью у трамвайных линий, проходящих около парков, бульваров и садов, вывешивается предупреждающий знак «Осторожно, листопад!»?
Сухие листья уменьшают сцепление колес трамвая с рельсами, вследствие чего может возникнуть пробуксовка колес, тормозной путь трамвая также увеличится.

405. Почему после дождя грунтовая дорога скользкая?
Вода на поверхности земли является смазкой и поэтому уменьшает коэффициент трения.

406. Почему после дождя опасно съезжать на автомобиле по грунтовой дороге под уклон?
Потому что вода на поверхности дороги уменьшает коэффициент трения.

407. Зачем некоторые мастера смазывают мылом шуруп перед ввинчиванием его в скрепляемые детали?
Мыло служит смазкой и уменьшает коэффициент трения. В этом случае процесс ввинчивания шурупа будет более легким.

408. Зачем стапеля, по которым судно спускают в воду, обильно смазывают?
Для того, чтобы уменьшить коэффициент трения между спускаемым судном и стапелями, и тем самым облегчить процесс спуска.

409. Для чего делается насечка около шляпки гвоздя?
Для увеличения коэффициента трения. В этом случае молоток будет меньше соскальзывать со шляпки гвоздя.

410. Назовите одну-две детали велосипеда, изготовленные с учетом увеличения силы трения скольжения.
Резиновая покрышка, тормозные колодки.

411. Какие силы трения возникают при движении карандаша в случаях, указанных на рисунке 93, а, б? Куда направлена сила трения, действующая на карандаш, относительно оси карандаша в обоих случаях?
а) сила трения скольжения; она направлена вдоль оси карандаша в противоположную сторону его движения,
б) сила трения качения; она направлена перпендикулярно к оси карандаша в противоположную сторону его движения.

412. Тележка с грузом движется (рис. 94). Какой вид трения возникает между: а) столом и колесами; б) грузом и тележкой; в) осями колес и корпусом тележки?
а) сила трения качения;
б) сила трения покоя, если груз покоится относительно тележки, или сила трения скольжения, если груз движется;
в) сила трения скольжения.

413. Почему кирпичи не соскальзывают вниз (рис. 95 и 96)? Какая сила удерживает их в состоянии покоя? Изобразите силы, действующие на кирпичи. 

414. Брусок двигают вправо (рис. 97). Куда направлена сила трения скольжения по отношению к бруску; относительно поверхности, по которой движется брусок?
Относительно бруска сила трения скольжения направлена влево (против направления движения). Относительно поверхности, по которой движется брусок, сила трения направлена вправо (по направлению движения).

415. Лестница у стены занимает положение, изображенное на рисунке 98. Укажите направление силы трения в местах соприкосновения лестницы со стеной и полом.

416. Брусок движется равномерно (рис. 99). Куда направлена: а) сила упругости горизонтальной части нити; б) вертикальной части нити; в) сила трения скольжения, действующая на поверхность стола, на брусок? Чему равна равнодействующая этих сил?

417. Колесо автомобиля буксует (рис. 100). Куда направлена сила трения скольжения между буксующим колесом и дорогой, которая действует: а) на колесо; б) на дорогу? Куда направлена сила упругости дороги?

418. Книга прижата к вертикальной поверхности (рис. 101). Изобразите графически направления сил тяжести и трения покоя, действующих на книгу.

419. Тележка равномерно движется вправо (см. рис. 94). Какая сила приводит в движение груз, поставленный на нее? Чему равна эта сила при равномерном движении?
Груз, лежащий на тележке, приводится в движение силой трения покоя, направленной вправо. При равномерном движении те¬лежки эта сила равна нулю.

420. На транспортере равномерно движется ящик с грузом (без скольжения). Куда направлена сила трения покоя между лентой транспортера и ящиком, когда ящик: а) поднимается; б) движется горизонтально; в) опускается?
а) вверх вдоль транспортера; б) она равна нулю; в) вверх вдоль транспортера.

421. Равна ли сила тяги силе трения, если автобус движется без скольжения равномерно: 1) по горизонтальному пути; 2) вверх по наклонному участку пути?
Если автобус движется равномерно по горизонтальному участку пути, то сила трения покоя равна силе тяги за вычетом силы сопротивления воздуха.

422. Парашютист, масса которого 70 кг, равномерно опускается. Чему равна сила сопротивления воздуха, действующая на парашютиста?

423. С помощью динамометра равномерно перемещают брусок (см. рис. 97). Чему равна сила трения скольжения между бруском и поверхностью стола? (Цена деления динамометра 1 Н.)
При равномерном движении бруска сила трения скольжения между бруском и поверхностью стола равна силе упругости пружины динамометра. Поэтому в этом случае динамометр нам показывает значение силы трения скольжения. Согласно рис. 97 она равна 4Н.

424. Зубья пилы разводят в разные стороны от плоскости пилы. На рисунке 102 показаны пропилы, сделанные неразведенной и разведенной пилами. Какой пилой труднее пилить? Почему?
Труднее пилить неразведенной пилой, так как в этом случае боковые поверхности пилы плотнее соприкасаются с деревом и между ними возникает большая сила трения.

425. Приведите примеры, когда трение приносит пользу и когда вред.
Трение приносит пользу при ходьбе, беге, езде на транспорте, движении грузов на транспортере. Трение приносит вред в трущихся деталях различных механизмов, где нежелательно стирание поверхностей.

426. На уроке физкультуры мальчик равномерно скользит вниз по канату. Под действием каких сил осуществляется это движение?
Под действием силы тяжести и силы трения скольжения.

427. Судно буксирует три баржи, соединенные последовательно одна за другой. Сила сопротивления воды для первой баржи 9000 Н, для второй 7000 Н, для третьей 6000 Н. Сопротивление воды для самого судна 11 кН. Определите силу тяги, развиваемую судном при буксировке этих барж, считая, что баржи движутся равномерно.

428. На движущийся автомобиль в горизонтальном направлении действуют сила тяги двигателя 1,25 кН, сила трения 600 Н и сила сопротивления воздуха 450 Н. Чему равна равнодействующая этих сил?

429. Можно ли однозначно утверждать, что приращение силы сопротивления AF равно 3 мН, если скорость тела, движущегося в некоторой среде с коэффициентом сопротивления 0,01, увеличилась на 0,3 м/с?
Однозначно утверждать так нельзя, так как сила сопротивления в вязких средах задается неоднозначно. При малых скоростях движения она пропорциональна скорости, при больших — квадрату скорости.

430. Троллейбус трогается с места и в течение 30 с приобретает импульс 15 104 кг-м/с. Определите силу сопротивления движению, если развиваемая троллейбусом сила тяги равна 15 кН.

431. На автомобиль массой 103 кг во время движения действует сила сопротивления, равная 10% от его веса. Чему должна быть равна сила тяги, развиваемая автомобилем, чтобы он двигался с постоянным ускорением 2 м/с2?

434. Велосипедист, ехавший со скоростью 11 м/с, резко затормозил. Коэффициент трения скольжения шин о сухой асфальт равен 0,7. Определите ускорение велосипедиста при торможении; время торможения; тормозной путь велосипедиста.

435. Какую силу надо приложить в горизонтальном направлении к вагону массой 16 т, чтобы уменьшить его скорость на 0,6 м/с за 10 с; за 1 с? Коэффициент трения равен 0,05.

436. С какой скоростью сможет ехать по горизонтальной плоскости мотоциклист, описывая дугу радиусом 83 м, если коэффициент трения резины о почву равен 0,4?

319. Зачем в гололедицу тротуары посыпают песком?
320. Зачем зимой задние колеса некоторых грузовых автомобилей перевязывают цепями?
321. Для чего при спуске воза с горы одно колесо телеги иногда закрепляют так, чтобы оно не вращалось?
322. Зачем на шинах автомашин, колесных тракторов делают глубокий рельефный рисунок (протектор)?
323. Зачем осенью у трамвайных линий, проходящих эколо парков, бульваров и садов, вывешивается предупреждающий знак «Осторожно, листопад!»?
324. Почему после дождя грунтовая дорога скользкая?
325. Почему после дождя опасно съезжать на автомобиле по грунтовой дороге под уклон?

Рис. 79

326. Зачем некоторые мастера смазывают мылом шуруп и винчиванием его в скрепляемые детали?
327. Зачем стапеля, по которым судно спускают в, обильно смазывают?
328. Для чего делается насечка около шляпки гвоздя?
329. Назовите одну-две детали велосипеда, изготовленных с учетом увеличения силы трения скольжения.
330. Какой вид трения возникает при движении каранда-н случаях, указанных на рисунке 78? Куда направлена сила трения по отношению к карандашу в случае а, в случае б-относительно книги?
331. Тележка с грузом движется (рис. 79). Какой вид иия возникает между: а) столом и колесами; б) грузом ккой; в) осями колес и корпусом тележки?
332. Почему кирпичи не скатываются вниз (рис. 80 и 81)? i сила удерживает их в состоянии покоя? Изобразите действующие на кирпичи.
333. Брусок двигают вправо (рис. 82). Куда направлена i трения скольжения по отношению к бруску; относимо поверхности, по которой движется брусок?
334. Лестница у стены занимает положение, изображении рисунке 83. Укажите направление силы трения в месте соприкосновения лестницы со стеной и полом.

Рис. 80

Рис. 81

Рис. 82

Рис. 83

Рис. 84

Рис. 85

Рис. 86

335. Брусок движется равномерно (рис. 84). Куда направлена: а) сила упругости горизонтальной части нити; б) вертикальной; в) сила трения скольжения относительно поверхности стола, относительно бруска; г) чему равна равнодействующая этих сил?
336. Колесо автомобиля буксует (рис. 85). Куда направлена сила трения скольжения между буксующим колесом и дорогой относительно: а) колеса; б) дороги? Куда направлена сила упругости дороги?
337. Книга прижата к вертикальной поверхности (рис. 86). Изобразите графически направления сил тяжести и трения покоя, действующих на книгу.
338. Тележка равномерно дви жется вправо (см. рис. 79). Какая ] сила приводит в движение груз, поставленный на нее? Куда направлена эта сила?
339. На транспортере равномерно движется ящик с грузом (без скольжения). Куда направлена сила трения покоя между лентой транспортера и ящиком, когда ящик: а) поднимается; б) движется горизонтально; в) опускается?

Рис. 87

340. Если автобус равномерно движется по горизонгаль-.iy участку пути, чему равна сила трения покоя?
341. Парашютист, масса которого 70 кг, равномерно опускается. Чему равна сила сопротивления воздуха, действуюют на парашютиста?
342. С помощью динамометра равномерно перемещают г’сок (см. рис. 82). Чему равна сила трения скольжения между бруском и поверхностью стола? (Цена деления динамометра 1 Н. )
343. Зубья пилы разводят в разные стороны от плоскости пилы. На рисунке 87 показаны пропилы, сделанные неразведенной и разведенной пилами. Какой пилой труднее пилить: разведенной или неразведенной? Почему?
344. Приведите примеры, когда трение приносит пользу и когда вред.

Изменение направления движения любого тела можно достичь только приложением к нему внешних сил. При движении транспортного средства на него действует множество сил, при этом шины выполняют важные функции: каждое изменение направления или скорости движения транспортного средства вызывает появление в шине действующих сил.

Шина – это элемент связи между транспортным средством и проезжей частью. Именно в месте контакта шины с дорогой решается главный вопрос безопасности движения транспортного средства. Через шину передаются все силы и моменты, возникающие при разгоне и торможении автомобиля, при изменении направления его движения.

Шина воспринимает действия боковых сил, удерживая автомобиль на выбранной водителем траектории движения. Поэтому физические условия сцепления шины с поверхностью дороги определяют границы динамических нагрузок, действующих на транспортное средство.

Рис. 01: Посадка бескамерной шины на ободе;
1. Обод; 2. Подкат (Хамп) на поверхности посадки борта шины; 3. Борт обода; 4. Каркас шины; 5. воздухонепроницаемый внутренний слой; 6. Брекерный пояс; 7. Протектор; 8. Боковина шины; 9. Борт шины; 10. Сердечник борта; 11. Вентиль

Решающие критерии оценки:
-Обеспечение устойчивого прямолинейного движения при действии на автомобиль боковых сил
-Обеспечение устойчивого движения на поворотах Обеспечение сцепления на различных поверхностях проезжей части Обеспечение сцепления с дорогой при различных погодных условиях
-Обеспечение хорошей управляемости автомобиля Обеспечение комфортных условий движения (гашение колебаний, обеспечение плавности хода, минимальная шумность качения)
-Прочность, износостойкость, высокий срок службы
-Невысокая цена
-Минимальный риск повреждения шины при её пробуксовке

Проскальзывание шины

Проскальзывание шины или её буксование происходит из разницы между теоретической скоростью движения, обусловленной вращением колеса, и действительной скоростью движения, обеспечиваемой силами сцепления колеса с дорогой

Посредством приведенного примера можно пояснить это утверждение: пусть длина окружности по внешней беговой поверхности шины легкового автомобиля составляет около 1,5 м. Если при движении автомобиля колесо поворачивается вокруг оси вращения 10 раз, то пройденный автомобилем путь должен составить 15 м. Если же происходит проскальзывание шины, то пройденный автомобилем путь становится короче Закон инерции Каждое физическое тело стремится либо сохранять состояние покоя, либо сохранять состояние прямолинейного движения.

Чтобы вывести физическое тело из состояния покоя или отклонить его от прямолинейного движения к телу должна быть приложена внешняя сила. Изменение скорости движения, как во время разгона автомобиля, так и при торможении потребует соответствующего приложения внешних сил. Если водитель пытается тормозить на повороте на покрытой льдом поверхности дороги, автомобиль будет стремиться двигаться прямо без явно выраженного стремления изменить скорость движения, при этом реакция на поворот рулевого колеса будет слишком вялой.

На обледенелой поверхности через колеса автомобиля может передаваться только маленькие силы торможения и боковые усилия, поэтому вождение автомобиля на скользкой дороге является непростой задачей. Моменты сил При вращательном движении на тело действуют или оказывают влияние моменты сил.

В режиме движения колеса вращаются вокруг своих осей, преодолевая моменты инерции покоя. Момент инерции колес возрастает с увеличением скорости его вращения и вместе с тем, скоростью движения автомобиля. Если транспортное средство находится одной стороной на скользкой проезжей части (например, обледенелой поверхности дороги), а другая сторона на дороге с нормальным коэффициентом сцепления (неоднородный коэффициент сцепления μ), то при торможении автомобиль получает вращательное движение вокруг вертикальной оси. Это вращательное движение называют моментом рысканья

Распределение сил наряду с весом тела (силой тяжести) на автомобиль действуют различные внешние силы, величина и направление которых зависит от режима и направления движения транспортно-го средства. При этом речь идет о следующих параметрах:

 Силах, действующих в продольном направлении, (например, силе тяги, силе сопротивления воздуха или силе трения качения)

 Силах, действующих в поперечном направлении, (например, усилие, прилагаемое к управляемым колесам автомобиля, центробежной силе при движении на повороте, или силе действия бокового ветре или силе, возникающей при движении на косо-горе).

Эти силы принято обозначать, как силы бокового увода автомобиля. Силы, действующие в продольном или поперечном направлении, передаются на шины, и через них на проезжую часть дороги в вертикальном или горизонтальном направлении, вызывая деформацию шины в про-дольном или поперечном направлении.

Рис. 04: Горизонтальная проекция угла бокового увода α и влияние бокового усилия Fs; vn = Скорость в направлении бокового увода vx = Скорость в продольном направлении Fs, Fy = Боковые усилия α = Угол бокового увода

Эти силы передаются на корпус авто-мобиля через:
 шасси автомобиля (так называемые ветровые силы)
 органы управления (рулевая сила)
 двигатель и агрегаты трансмиссии (движущая сила)
 тормозные механизмы (тормозные силы)
В противоположном направлении эти силы действуют со стороны дорожной поверхности на шины, передаваясь затем на транспортное средство. Это связано с тем, что: любая сила вызывает противодействие

Рис. 05: Скорость колеса vx в продоль-ном направлении, тормозная сила FB и тормозной момент MB; vx = Скорость колеса в продольном направлении FN = Вертикальная сила (нормальная реакция опоры) FB = Тормозная сила
MB = Тормозной момент

Для обеспечения движения тяговая сила, передаваемая на колесо посредством крутящего момента, создаваемого двигателем, должна превосходить все внешние силы сопротивления (продольные и поперечные силы), которые возникают, например, при движении автомобиля по дороге с поперечным уклоном.

Для оценки динамики движения, а также устойчивости движения транс-портного средства должны быть известны силы, действующие между шиной и дорожным полотном в так называемом пятне контакта шины с дорогой. Внешние силы, действующие в площадке соприкосновения шины с дорогой, передаются через колесо на транспортное средство. С увеличением практики вождения водитель все лучше и лучше учится реагировать на эти силы.

По мере приобретения опыта вождения, у водителя все отчетливее возникают ощущения сил действующих в пятне контакта шины с дорогой. Величина и направление внешних сил зависит от интенсивности разгона и торможения автомобиля, при действии боковых сил от ветра, или при движении по дороге с поперечным уклоном. Особняком стоит опыт вождения по скользким дорогам, когда чрезмерное воздействие на органы управления могут сорвать шины автомобиля в скольжение.

Но самое главное это то, что водитель обучается правильным и дозированным действиям органами управления, которые препятствуют возникновению неуправляемого движения. Неумелые действия водителя при высокой мощности двигателя особенно опасны, так как силы, действующие в пятне контакта, могут превысить допустимый предел по сцеплению, что может вызвать занос автомобиля или полную потерю управляемости, и повышает износ шин.

Силы в пятне контакта шины с дорогой Только строго дозированные силы в пятне контакта колеса с дорогой способны обеспечить соответствующие желанию водителя скорость и изменение направления движения. Суммарная сила в пятне контакта шины с дорогой складывается из следующих составляющих её сил:

Касательная сила, направленная по окружности шины Касательная сила Fμ возникает в результате передачи крутящего момента приводным механизмом или при торможении автомобиля. Она действует в продольном направлении на поверхность дороги (продольная сила) и дает возможность водителю произвести разгон при воздействии на педаль газа или обеспечить замедление движения при его воздействии на педаль тормоза.

Вертикальная сила (нормальная реакция опоры) Вертикальная сила между шиной и поверхностью дороги обозначается как радиально направленная сила, или как нормальная реакция опоры FN. Вертикальная сила между шиной и поверхностью дороги присутствует всегда, как при движении транспортного средства, так и при его неподвижности. Вертикальная сила, действующая на опорную поверхность, определяется частью веса автомобиля, приходящегося на это колесо, плюс дополнительная вертикальная сила, возникающая в результате перераспределения веса при разгоне, торможении или движении в повороте.

Вертикальная сила увеличивается или уменьшается при движении автомобиля на подъем или под уклон, при этом увеличение или уменьшение вертикальной силы зависит от направления движения автомобиля. Нормальная реакция опоры определяется при неподвижном положении транспортного средства, установленного на горизонтальной поверхности.

Дополнительные силы могут увеличить или уменьшить значение вертикальной силы между колесом и поверхностью дороги (нормальной реакции опоры). Так при движении не повороте дополнительная сила уменьшает вертикальную составляющую на внутренних к центру поворота колесах и увеличивает вертикальную составляющую на колесах внешней стороны транспортного средства.

Площадка контакта шины с поверхностью дороги деформируется прилагаемой к колесу вертикальной силой. Так как боковины шины подвергаются соответствующей деформации, вертикальная сила не может распределяться равномерно по всей площади пятна контакта, а возникает трапецевидное распределение давления шины на опорную поверхность. Боковины шины принимают на себя внешние силы, и шина деформируется в зависимости от величины и направления внешней нагрузки.

Боковые силы оказывают действие на колесо, например, при действии бокового ветра, или при движении автомобиля на повороте. Управляемые колеса движущегося автомобиля при их отклонении от прямолинейного положения также подвергаются действию боковой силы. Боковые силы вызывает измерение направления движения транспортного средства.

Предыдущая 1 .. 10 > .. >> Следующая
333. Брусок двигают вправо (рис. 82). Куда направлена сила трения скольжения?
334. Лестница у стены занимает положение, изображенное на рисунке 83. Укажите направление силы трения в местах соприкосновения лестницы со стеной и полом.
335. Брусок движется равномерно (рис. 84). Куда направлены сила упругости нити и сила трения скольжения, возникающая при движении бруска по поверхности стола? Чему равна равнодействующая этих сил?
336. Колесо автомобиля буксует (рис. 85). Куда направлена сила трения скольжения между буксующим колесом и дорогой? сила трения покоя (упругости дороги)?
Рис. 86
Рис. 87
837. Книга прижата к вертикальной поверхности (рис. 86). Изобразите графически направления сил тяжести и трения покоя, действующих на книгу.
338. Тележка равномерно движется (см. рис. 79). Какая сила приводит в движение груз, лежащий на тележке? Куда она направлена?
339. На транспортере движется ящик с грузом (без скольжения). Куда направлена сила трения покоя между лентой транспортера и ящиком?
340. Если автобус равномерно движется по горизонтальному пути, чему равна сила трения покоя?
341. Парашютист, масса которого 70 кг, равномерно движется. Чему равна сила сопротивления воздуха, действующая на парашют?
342. С помощью динамометра равномерно перемещают брусок (см. рис. 82). Чему равна сила трения скольжения между бруском и поверхностью стола? (Цена деления динамометра 1 Н.)
343. Зубья пилы разводят в разные стороны от плоскости пилы. На рисунке 87 показаны пропилы, сделанные неразведенной и разведенной пилами. Какой пилой труднее пилить: разведенной или неразведенной? Почему?
344. Приведите примеры, когда трение полезно и когда оно приносит вред.
17. ДАВЛЕНИЕ1
345. Два тела равного веса поставлены на стол так, как показано на рисунке 88 (слева). Одинаковое ли давление они производят на стол? Если эти тела поставить на чашки весов, то нарушится ли равновесие весов?
346. Одинаковое ли давление оказываем мы на карандаш, затачивая его тупым и острым ножом, если прилагаемое нами усилие одно и то же?
1 При расчетах принимать g=10 Н/кг.
37
347. Перемещая одинаковый груз (рис. 89), мальчики в первом случае прикладывают большую силу, чем во втором. Почему? В каком случае давление груза на пол больше? Почему?
348. Зачем у лопаты верхний край, на который надавливают ногой, изогнут?
349. Для чего у косилки, соломорезки и других сельскохозяйственных машин режущие части должны быть остро отточены?
350. Зачем для проезда по болотистым местам делают настил из хвороста, бревен или досок?
351. Когда скрепляют болтом деревянные бруски, под гайку и головку болта подкладывают широкие металлические плоские кольца — шайбы (рис. 90). Для чего это делают?
352. Для чего при вытаскивании гвоздей из доски подкладывают под клещи железную полоску или дощечку?
353. Объясните назначение наперстка, надеваемого на палец при шитье иглой.
354. В одних случаях давление стараются уменьшить, а в других — увеличить. Приведите примеры, где в технике или в быту уменьшают, а где увеличивают давление.
355. На рисунке 91 изображен кирпич в трех положениях. При каком положении кирпича давление на доску будет наименьшим? наибольшим?
Рис. 89
Рис. 91
Рис. 90
38
3
Рис. 92
Рис. 93
356. Одинаковое ли давление производят на стол кирпичи, расположенные так, как показано на рисунке 92?
357. Два кирпича поставлены друг на друга так, как показано на рисунке 93. Одинаковы ли силы, действующие на опору, и давление в обоих случаях?
358. Розетки прессуют из специальной массы (барка-литовой), действуя на нее силой 37,5 кН. Площадь розетки 0,0075 м2. Под каким давлением находится розетка?
359. Площадь дна кастрюли равна 1300 см2. Вычислите, на сколько увеличится давление кастрюли на стол, если в нее налить воду объемом 3,9 л.
360. Какое давление на пол производит мальчик, масса которого 48 кг, а площадь подошв его обуви 320 см2?
361. Спортсмен, масса которого 78 кг, стоит на лыжах. Длина каждой лыжи 1,95 м, ширина 8 см. Какое давление оказывает спортсмен на снег?
362. Токарный станок массой 300 кг опирается на фундамент четырьмя ножками. Определите давление станка на фундамент, если площадь каждой ножки 50 см2.
363. Лед выдерживает давление 90 кПа. Пройдет ли по этому льду трактор массой 5,4 т, если он опирается на гусеницы общей площадью 1,5 м2?
364. Двухосный прицеп с грузом имеет массу 2,5 т. Определите давление, оказываемое прицепом на дорогу, если площадь соприкосновения каждого колеса с дорогой равна 125 см2.
365. На железнодорожную двухосную платформу поставили артиллерийское орудие массой 5,5 т. На сколько увеличилось давление платформы на рельсы, если площадь соприкосновения колеса с рельсом 5 см2?
366. Вычислите давление, производимое на рельсы четырехосным груженым вагоном массой 32 т, если площадь соприкосновения колеса с рельсом 4 см2.
39
Рис. 95
Рис. 96
367. Какое давление оказывает на грунт гранитная колонна, объем которой 6 м3, если площадь основания ее 1,5 м*?
368. Можете ли вы гвоздем оказать давление 105 кПа? Рассчитайте, какую силу для этого надо приложить к головке гвоздя, если площадь острия гвоздя равна 0,1 мм2.

Задача по физике — 5700

2017-12-15
Как направлена сила трения, действующая на ведущие колеса автомобиля, при разгоне (а), торможении (б), повороте (в)? Равна ли эта сила своему максимальному значению $\mu N$ ($\mu$ — коэффициент трения, $N$ — сила реакции полотна дороги), и если да, то в каких ситуациях? А в каких ситуациях нет? Хорошо это, или плохо, если сила трения достигает своего максимального значения? Почему? Какой автомобиль может развивать на дороге большую мощность — передне- или заднеприводный — при одинаковой мощности мотора и почему? Считать, что масса автомобиля распределена равномерно, и его центр тяжести находится посередине.

Решение:

Обсудим сначала вопрос о роли силы трения в движении машины. Представим себе, что водитель машины, стоящей на гладком-гладком льду (сила трения между колесами и льдом отсутствует), нажимает на педаль газа. Что будет происходить? Ясно, что машина ехать не будет: колеса будут вращаться, но будут пробуксовывать относительно льда — ведь трения-то нет. Причем это будет происходить независимо от мощности двигателя. А это значит, что для того, чтобы мощность двигателя использовать, нужно трение — без него машина не поедет.

Что же происходит, когда сила трения есть. Пусть сначала она очень маленькая, а водитель стоящей машины снова нажимает на педаль газа? Колеса (речь сейчас идет о ведущих колесах автомобиля, допустим это передние колеса) проскальзывают относительно поверхности (трение — маленькое), вращаясь так, как показано на рисунке, но при этом возникает сила трения, действующая со стороны дороги на колеса, направленная вперед по ходу движения машины. Она и толкает машину вперед.

Если сила трения большая, то при плавном нажатии на педаль газа колеса начинают вращаться, и как бы отталкиваются от шероховатостей дороги, используя силу трения, которая направлена вперед. При этом колеса не проскальзывают, а катятся по дороге, так, что нижняя точка колеса не перемещается относительно полотна. Иногда и при большом трении колеса пробуксовывают. Наверняка, вы сталкивались с ситуацией, когда какой-нибудь «сумасшедший водитель» так трогается при включении зеленого сигнала светофора, что колеса «визжат», а на дороге остается черный след из-за скольжения резины по асфальту. Итак, в экстренной ситуации (при резком торможении или трогании с побуксовкой) колеса скользят относительно дороги, в обычных случаях (когда на дороге не остается черного следа от стирающихся покрышек) колесо не скользит, а только катится по дороге.

Итак, если машина едет равномерно, то колеса не скользят по дороге, а катятся по ней так, что нижняя точка колеса покоится (а не проскальзывает) относительно дороги. Как в этом случае направлена сила трения? Сказать, что противоположно скорости машины — неверно, ведь говоря так про силу трения, подразумевают случай скольжения тела относительно поверхности, а сейчас у нас скольжения колес относительно дороги нет. Сила трения в этом случае может быть направлена как угодно, и мы сами определяем ее направление. И вот как это происходит.

Представим себе, что нет никаких препятствующих движению машины факторов. Тогда машина движется по инерции, колеса вращаются по инерции, причем угловая скорость вращения колес связана со скоростью движения машины. Установим эту связь. Пусть колесо движется со скоростью $v$ и вращается так, что нижняя точка колеса не проскальзывает относительно дороги. Перейдем в систему отсчета, связанную с центром колеса. В ней колесо как целое не движется, а только вращается, а земля движется назад со скоростью $v$. Но поскольку колесо не проскальзывает относительно земли, то его нижняя точка имеет такую же скорость как земля. А значит, и все точки поверхности колеса вращаются относительно центра со скоростью $v$ и, следовательно, имеют угловую скорость $\omega = v / R$, где R — радиус колеса. Переходя теперь назад в систему отсчета, связанную с землей, заключаем, что при отсутствии проскальзывания между нижней точкой колеса и дорогой угловая скорость колеса $\omega = v / R$, а все точки поверхности имеют разные скорости относительно земли: например, нижняя точка — нулевую, верхняя $2v$ и т. д.

А пусть водитель при таком движении машины нажимает на педаль газа. Он заставляет колесо вращаться быстрее, чем нужно при данной скорости машины. Колесо стремится проскользнуть назад, возникает сила трения, направленная вперед, которая и разгоняет машину (машина как бы отталкивается от шероховатостей дороги, используя силу трения). Если водитель нажимает на педаль тормоза, колесо стремится вращаться медленнее, чем нужно при данной скорости машины. Возникает сила трения, направленная назад, которая тормозит машину. Если водитель поворачивает колеса машины, возникает сила трения, направленная в сторону поворота, которая машину поворачивает. Таким образом, управление машиной — разгоном, торможением, поворотом — основано на правильном использовании силы трения, причем, конечно, подавляющее большинство водителей об этом даже не догадываются.

Ответим теперь на вопрос: равна ли эта сила своему максимальному значению? Вообще говоря, нет, поскольку нет скольжения колеса относительно дороги, а сила трения равна максимальному значению при скольжении. В покое сила трения может принимать любые значения от нуля до максимального $\mu N$, где $\mu$ — коэффициент трения; $N$ — сила реакции опоры. Поэтому если мы разгоняемся (сила трения направлена вперед), но хотим увеличить темп разгона, мы сильнее нажимаем на педаль газа, и увеличиваем силу трения. Аналогично, если мы тормозим (сила трения направлена назад), но хотим увеличить степень торможения, мы сильнее нажимаем на тормоз и увеличиваем силу трения. Но ясно, что ее можно увеличить и в том и в другом случае, если она не была максимальной! Таким образом, для управления машиной сила трения не должна равняться максимальному значению, и эту разность мы используем для совершения тех или иных маневров. И любой водитель (даже если он ничего не знает про силу трения, а таких, конечно, подавляющее большинство) интуитивно чувствует, есть ли у него резерв силы трения, «далеко» ли машина от пробуксовки, и есть ли возможность ей управлять.

Тем не менее, есть одна ситуация, когда сила трения равна своему максимальному значению. Эта ситуация называется заносом. Пусть водитель резко затормозил на скользкой дороге. Машина начинает скользить по дороге, это состояние движения и называется заносом. В этом случае сила трения направлена противоположно скорости (назад) и равна своему максимальному значению. Это ситуация очень опасна, ведь машина АБСОЛЮТНО неуправляема. Мы не можем повернуть (хоть как-то, хоть чуть-чуть), ведь для поворота нам нужна сила трения, направленная в сторону поворота, а в нашем распоряжении ее нет — сила трения максимальна и направлена назад. Мы не можем увеличить скорость торможения (невозможно увеличить силу трения — она и так максимальна), не можем (даже если бы мы захотели этого в такой ситуации) ускориться. Мы не можем ничего! Ситуация осложняется еще и тем, что в состоянии заноса машину никто не «держит» на дороге. Почему машина в обычных условиях не съезжает в кювет, ведь полотно дороги всегда делается покатым к обочинам, чтобы стекала вода? Ее держит сила трения, а вот если машина скользит (занос) сила трения направлена противоположно скорости и никак иначе. Поэтому любое «боковое» возмущение — покатость дороги, небольшой камень под одним из колес — могут развернуть или сбросить машину на обочину. Никогда не допускайте заноса1.

Теперь сравним мощность, которую могут развивать на дороге передне- и заднеприводной автомобили с одинаковым мотором. Очевидно, что мощность, которую может развивать автомобиль на дороге, зависит не только от его двигателя, но и от того, как автомобиль «использует» силу трения. Действительно, в отсутствие силы трения автомобиль стоял бы на месте (с вращающимися колесами) независимо от мощности двигателя (вращающего эти колеса). Докажем, что заднеприводные автомобили мощнее переднеприводных при одинаковой мощности мотора и оценим отношение мощностей, которые может развивать двигатель, разгоняя машину на дороге (при условии, что мощность самого двигателя может быть очень большой).

Разгоняет автомобиль сила трения, действующая на ведущие колеса, а она не может превышать значения $\mu N$ ($N$ — сила реакции). Поэтому чем больше сила реакции, тем больших значений может достигнуть разгоняющая сила трения (а нажатие на педаль газа в ситуации, когда сила трения достигла максимума, приведет только к проскальзыванию и к заносу, но не к увеличению мощности, которую развивает двигатель). Найдем силы реакции для задних и передних колес машины. Силы, действующие на машину при разгоне, показаны на рисунках (на правом — для заднеприводной, на левом — для переднеприводной). На машину действуют: сила тяжести, силы реакции и сила трения. Поскольку машина движется поступательно, сумма моментов всех сил относительно ее центра тяжести равна нулю. Поэтому, если центр тяжести машины находится точно посередине машины, расстояние между задними и передними колесами $l$, а высота центра тяжести над дорогой $h$, условие равенства нулю суммы моментов относительно центра тяжести дает (при условии, что машина движется, развивая максимальную мощность на максимуме силы трения):

переднеприводная машина

$N_{1} \frac{l}{2} = N_{2} \frac{l}{2} + F_{тр} h = N_{2} \frac{l}{2} + \mu N_{2} h$, (1)

заднеприводная машина

$N_{1} \frac{l}{2} = N_{2} \frac{l}{2} + F_{тр} h = N_{2} \frac{l}{2} + \mu N_{1}h$, (2)

где $\mu$ — коэффициент трения. {(зп)}} = 0,85$.

Белорусский государственный университет транспорта — БелГУТ (БИИЖТ)

Регистрация на конференцию «Проблемы безопасности на транспорте»

Как поступить в БелГУТ:

дневное, заочное полное,
заочное сокращенное

Как получить место

в общежитии БелГУТа

Как поступить иностранному гражданину

События

Все события

Пн	Вт	Ср	Чт	Пт	Сб	Вс
			1 Дата : 2022-09-01	2	3	4
5 Дата : 2022-09-05	6 Дата : 2022-09-06	7 Дата : 2022-09-07	8 Дата : 2022-09-08	9 Дата : 2022-09-09	10 Дата : 2022-09-10	11 Дата : 2022-09-11
12	13	14	15 Дата : 2022-09-15	16 Дата : 2022-09-16	17 Дата : 2022-09-17	18
19	20	21 Дата : 2022-09-21	22 Дата : 2022-09-22	23	24	25
26	27	28 Дата : 2022-09-28	29	30 Дата : 2022-09-30

Все анонсы

• Открытая лекция Велюгиной Н. Е. «НАДСТРОЙКА, ПРИСТР…
• Запись на донорство
• Акция «ЭТАЛОН.Студент.by»
• Экспозиции, посвященные Грунтову П.С. и Белому В.А…
• Угадай мелодию
• Конкурс кандидатов в перспективный кадровый резерв…
• Логистика. Обучение для студентов выпускных курсов…
• Турнир на джойстиках по игре в MORTAL COMBAT IX…
• С Днем народного единства!
• Студсовет поздравляет с Днем народного единства…

Анонсы

Университет

Абитуриентам

Студентам

Конференции

Приглашения

Открытая лекция Велюгиной Н.Е. «НАДСТРОЙКА, ПРИСТР…

Запись на донорство

Акция «ЭТАЛОН.Студент.by»

Экспозиции, посвященные Грунтову П.С. и Белому В.А…

Новости

Университет

Международные связи

Спорт

Воспитательная работа

Жизнь студентов

Новости подразделений



• Студенческая жизнь

Меломаны БелГУТа сыграли в «Угадай мелодию». ..
29 сентября 2022

• Воспитательная работа

Наркотики. Ответственность. Последствия…
27 сентября 2022

• Университет

Делегация Военного института железнодорожных войск и военных сообщений…
27 сентября 2022

• Спорт

Победа в соревнованиях по гребле на байдарках…
26 сентября 2022

• Спорт

Команда РОО «Белая Русь» заняла 3 командное место…
26 сентября 2022

• Университет

Участие в V Международном образовательном форуме «Алтай – Азия 2022: Е…
26 сентября 2022

• Студенческая жизнь

Волонтеры студсовета в приюте для бездомных животных. ..
24 сентября 2022

• Студенческая жизнь

Встреча в общежитии «Я выбираю жизнь!»
23 сентября 2022

• Университет

Повышение квалификации по теме «Учет труда и заработной платы в органи…
23 сентября 2022

Другие новости

• Тыдзень роднай мовы «Як ты дорага мне, мая родная мова»…
• Турнир по игре на джойстиках в «Mortal Combat» состоялся…
• Против COVID-19 в БелГУТе
• Единый День информирования: «История белорусской государственности – о…
• Сетевое взаимодействие трех университетов…
• Гомельский транспортный прокурор в ИПК и ПК…
• Состязания в рамках всемирного дня студенческого спорта…
• ДИАЛОГ | Выпуск 14 | БелГУТ |ВЛАДИМИР КОЛОТ О ПРОЕКТАХ, ПЛАНАХ И НОЧЁВ…
• Профилактические беседы на тьюторских часах по теме: «Вред алкоголя и . ..
• Буккроссинг на кафедре
• Заседание Совета ветеранов, актива БРСМ и Студсовета…

КУДА ПОСТУПАТЬ

Все факультеты

БелГУТ на Доске почета

Достижения университета

Предложения

Все предложения

Видеотека

Все видео

Фотогалерея

Все фото

Как решать 2 задание ЕГЭ по физике, примеры решения (Ростов-на-Дону)

Из последних КИМов ЕГЭ по физике следует, что задание 2 относится к разделу «Динамика» и может содержать расчетные задачи по следующим темам: «Законы Ньютона, закон всемирного тяготения, закон Гука, сила трения».

Основные формулы, которые необходимо знать для успешного решения задания 2.

Сила тяжести		m — масса тела g=10 м/с2 – ускорение свободного падения
Сила упругости		Δx – удлинение пружины k – коэффициент жесткости пружины
Сила трения		µ — коэффициент трения N – сила реакции опоры
Сила Архимеда (выталкивающая сила)		V – объём погруженной части тела g=10 м/с2 – ускорение свободного падения
Сила притяжения между телами (закон Всемирного тяготения)		G = 6,67*10-11 Н*м2/кг2 – гравитационная постоянная m1 и m2 - массы взаимодействующих тел r – расстояние между телами
Второй закон Ньютона		m – масса тела R – равнодействующая всех сил, действующих на тело a – ускорение, с которым движется тело под действием этих сил

При решении задач из раздела «Динамика» желательно придерживаться следующего алгоритма решения:

1. Сделать рисунок, на котором указать вектора всех сил, действующих на тело.

2. Если тело двигается с ускорением, указать направление этого ускорения. Если тело покоится или двигается равномерно, его ускорение a=0.

3. Составить уравнение движения (второй закон Ньютона) для рассматриваемого тела в его векторном виде.

3. Выбрать систему координат и спроецировать полученное уравнение на выбранные оси координат.

4. Расшифровать неизвестные величины, вошедшие в уравнение движения.

5. Решить полученную систему уравнений.

Задание 2 – это расчётные задачи базового уровня сложности, и для решения некоторых из них этот алгоритм будет чересчур подробным и перегруженным, так как их можно решить и без вспомогательного рисунка или даже без записи второго закона Ньютона. Это касается, например, заданий, в которых на тело действует только одна сила. Но привычка решать задания по приведенному выше алгоритму поможет ученикам успешно справиться с расчетными задачами по разделу «Динамика» повышенного и высокого уровней сложности – такие задания могут стоять в ЕГЭ под номерами 25 и 29.

Ответом на задание 2 является число, именно его нужно вписать в бланк ответов 1, не указывая единицы измерения.

Примеры решения

1. (ЕГЭ-2019)

Пружина жёсткостью 2*10⁴ Н/м одним концом закреплена в штативе. На какую величину она растянется под действием силы 400 Н?

Ответ: ___________________________ см.

Решение:

Сделаем чертёж

Пружина под действием силы F привели в растянутое состояние. Кроме растягивающей силы F и силы упругости , стремящейся вернуть пружину в нерастянутое состояние, больше никакие силы на нее не действуют.

Запишем проекции сил на вертикальную ось Oy

F=F_упр

По закону Гука, сила упругости F_упр = k *Δx, следовательно,

k — коэффициент жёсткости пружины, Δx – её удлинение.

Выразим величину растяжения пружины

Ответ: 2

2. (ЕГЭ – 2020. Вариант 1 досрочного ЕГЭ)

Тело движется по горизонтальной плоскости. Нормальная составляющая силы воздействия тела на плоскость равна 40 Н, сила трения равна 10 Н. Определите коэффициент трения скольжения.

Ответ: _______ .

Решение:

Силу трения можно найти по формуле

F_тр= µN,

где N – сила реакции опоры, или по-другому нормальная составляющая силы воздействия тела на плоскость.

Ответ: 0,25.

2. (ЕГЭ – 2020. Демонстрационный вариант)

Два одинаковых маленьких шарика массой m каждый, расстояние между центрами которых равно r, притягиваются друг к другу с силами, равными по модулю 0,2 пН. Каков модуль сил гравитационного притяжения двух других шариков, если масса каждого из них равна 2m, а расстояние между их центрами равно 2r?

Ответ: _______ пН.

Решение:

По закону Всемирного тяготения шары массами m₁и m₂, находящиеся друг от друга на расстоянии r, притягиваются друг к другу с силой

.

В первом случае

Во втором случае

Ответ: 0,2

2. (ЕГЭ – 2019. Демонстрационный вариант)

По горизонтальному полу по прямой равномерно тянут ящик, приложив к нему горизонтальную силу 35 Н. Коэффициент трения скольжения между полом и ящиком равен 0,25. Чему равна масса ящика?

Ответ _______ кг.

Решение:

Сделаем чертёж, на котором обозначим все силы, действующие на тело.

По второму закону Ньютона, равнодействующая всех сил, действующих на тело, будет равна нулю, так как по условию задачи тело движется равномерно, то есть ускорение тела a=0.

Запишем это в проекциях на оси Ox и Oy

Ox: F_тр – F = 0,

Oy: N — m g=0.

Откуда N = mg, следовательно,

F_тр = µ N = µ mg.

Масса тела

Ответ: 14

2. (ЕГЭ – 2018)

К пружине подвесили груз массой 150 г, вследствие чего пружина удлинилась на 1 см. Чему будет равно удлинение этой пружины, если к ней подвесить груз 450 г?

Ответ: __________ см.

Решение:

Переведём единицы измерения физических величин в систему СИ

m₁ = 150 г = 0,15 кг, m₂ = 450 г = 0,45 кг, Δx=1 см = 0,01 м.

Сделаем чертёж, на котором обозначим все силы, действующие на тело.

На тело действует сила тяжести (F_т = mg), направленная вертикально вниз, и сила упругости со стороны пружины (F_упр = k Δx), направленная вертикально вверх.

В проекции на вертикальную ось Oy.

F_т =F_упр

mg = kΔx (1)

k — коэффициент жёсткости пружины, Δx – её удлинение.

Найдём, чему равен коэффициент жёсткости пружины

Выразим из выражения (1) удлинение пружины во втором случае

Ответ: 3

Вернуться

Поделиться

Силы действующие на автомобиль | Сумской автомобильный клуб

Источник

the-cars.ru

Независимо от того, движется автомобиль, или он неподвижен, на него действует сила тяжести (вес), направленная отвесно вниз. Сила тяжести прижимает колеса автомобиля к дороге. Равная ей и направленная вверх действует сила реакции дороги.

Равнодействующая этих сил размещена в центре тяжести. Распределение веса автомобиля по осям зависит от расположения центра тяжести. Чем ближе к одной или другой оси центр тяжести, тем большей будет нагрузка на эту ось.
На груженых легковых автомобилях нагрузка на оси распределяется поровну. Большое влияние на устойчивость и управляемость автомобиля имеет расположение центра тяжести. Чем выше центр тяжести, тем менее устойчивым будет автомобиль.

Если автомобиль находится на горизонтальной поверхности, то сила тяжести направлена отвесно вниз. На наклонной поверхности она раскладывается на две силы, одна из которых прижимает колеса к поверхности дороги, а другая стремится опрокинуть автомобиль.

Во время движения, кроме силы тяжести, на автомобиль действует и ряд других сил, на преодоление которых затрачивается мощность двигателя.

Сила инерции движения – величина, которая состоит из силы, необходимой для ускорения движения, и силы, необходимой для углового ускорения вращающихся частей автомобиля. Движение автомобиля возможно только при условии, что его колеса будут иметь достаточное сцепление с поверхностью дороги. Если сила сцепления будет недостаточной (меньше величины силы тяги ведущих колес), то колеса пробуксовывают.

Сила сцепления с дорогой  зависит от веса, приходящегося на колесо, от состояния покрытия дороги, давления воздуха в шинах и рисунка протектора.
Коэффициент сцепления зависит от вида покрытия дороги и от его состояния: наличие влаги, грязи, снега, льда.

№ п/п	Покрытие дороги	Коэффициент сцепления на сухой поверхности	Коэффициент сцепления на мокрой поверхности
1	Асфальтобетонное	0,70 — 0,80	0,30 — 0,40
2	Щебенчатое	0,60 — 0,70	0,30 — 0,40
3	Булыжное	0,50 — 0,60	0,30 — 0,35
4	Грунтовые дороги	0,50 — 0,60	0,30 — 0,40
5	Глина	0,50 — 0,60	0,20 — 0,40
6	Песок	0,50 — 0,60	0,40 — 0,50
7	Уплотненный снег	0,20 — 0,30	—
8	Обледенелая дорога	0,08 — 0,10	—

На дорогах с асфальтобетонным покрытием коэффициент сцепления резко уменьшается, если на поверхности имеется влажная грязь, пыль. В жаркую погоду на асфальте появляется маслянистая пленка из выступающего битума, которая снижает коэффициент сцепления.

Уменьшение коэффициента сцепления колес с дорогой наблюдается также при увеличении скорости движения на сухой дороге с асфальтобетонным покрытием с 30 до 60 км/час, коэффициент сцепления уменьшается на 0,15.
 

Сила сопротивления качению – сила, затрачиваемая на:

1. деформирование шины и дороги;
2. трение шины о дорогу;
3. трение в подшипниках ведущих колес.

Сила сопротивления воздуха – величина этой силы зависит от формы или обтекаемости автомобиля, относительной скорости движения и плотности воздуха.

Значение коэффициента лобового сопротивления и лобовая площадь определяется заводом-изготовителем. Изменение этих параметров может произойти из-за установки на кузове-кабине автомобиля разных вспомогательных устройств: дополнительное зеркало заднего вида, багажник на крыше автомобиля. В большинстве случаев это отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах автомобиля.
 

Установка на крыше автомобиля багажника и езда с ним без груза увеличивает силу сопротивления воздуха настолько, что расход топлива возрастает на 5% – 10%.

Особенно опасно изменение обтекаемости автомобиля при его движении. Если при движении автомобиля со скоростью более 80 км/час открыть, а затем захлопнуть боковую дверь, то весьма вероятна, даже на сухой дороге, потеря автомобилем курсовой устойчивости.

Сила сопротивления подъему – зависит от веса автомобиля и угла подъема.
Опрокидывающая сила – действует на автомобиль при торможении и разгоне.

Разгон, ускорение, накат, торможение.

Ускорением называется прирост скорости за единицу времени. Если мощность двигателя, затраченная на приведение во вращение ведущих колес автомобиля и преодоление сил трения больше, чем суммарная сила сопротивления движению, то автомобиль будет двигаться с ускорением, то есть разгоном. В этом случае можно говорить о том, что крутящий момент на двигателе будет увеличиваться, что и вызовет разгон автомобиля.

Во время движения накапливается определенный запас кинетической энергии и автомобиль приобретает инерцию. Благодаря инерции автомобиль может двигаться накатом. Это происходит тогда, когда двигатель отсоединяется от трансмиссии, а его дальнейшее движение происходит за счет кинетической энергии, накопленной при разгоне.

Торможение как вид изменения движения – это снижение скорости движения, которое может осуществляться по различным причинам и разными способами. Основными видами снижения скорости движения являются:
 

• Снижение скорости за счет потери инерции – при движении на подъеме, при движении накатом;
• Торможение двигателем – когда крутящий момент на двигателе уменьшается (убираем ногу с педали «Газ»), и при включенном сцеплении это вызывает снижение скорости движения автомобиля.
• Торможение тормозной системой – снижение скорости с использованием тормоза.

Устойчивость в движении.

Само понятие устойчивости или устойчивого движения автомобиля определяется его способностью сохранять постоянный контакт всех колес с дорогой при отсутствии бокового скольжения. Автомобиль может потерять устойчивость под действием центробежной и разворачивающей силы.

Центробежная сила – возникающая во время движения автомобиля на повороте и направленная  в сторону, противоположную приложенной центростремительной силы. Если центробежная сила не превышает центростремительную силу, то автомобиль движется по устоявшейся кривой поворота. Если же центробежная сила превышает центростремительную силу, то автомобиль выбрасывает с дороги по результирующему вектору, направленному от центра поворота.
 

Разворачивающая сила является следствием несоответствия силы инерции движения и коэффициенту сцепления колес с дорогой. В этом случае она будет направлена в сторону колес с меньшим коэффициентом сцепления, а рычагом разворота автомобиля будет его база. Центром вращения (разворота) будут колеса с большим коэффициентом сцепления.

Результатом действия этой силы будет возникновение бокового заноса автомобиля, а в некоторых случаях, кроме того бокового вращения.
 

В большинстве случаев скользят колеса заднего моста, но с этим можно и нужно бороться. Причинами возникновения бокового заноса чаще всего на скользкой дороге является разгон и торможение. Поэтому для предотвращения тяжелых последствий начинающегося заноса необходимо прекратить начатый разгон или торможение. Необходимо помнить, что при торможении ВСЕГДА задние колеса разгружаются, коэффициент их сцепления с дорогой уменьшается тем больше, чем сильнее мы тормозим! При таком торможении они более всего подвержены блокировке, а автомобиль начинает движение юзом (с заблокированными колесами). При движении юзом автомобиль ВСЕГДА становится неуправляемым, так как невозможно осуществить поворот не вращающимися управляемыми колесами, а при заблокированных колесах тормозной путь ВСЕГДА (в том числе и на сухой дороге) увеличивается!

Если не принять своевременных мер для прекращения бокового заноса и вывода автомобиля из него он, как правило, переходит в неуправляемое боковое вращение. Это гораздо опаснее бокового заноса.

Для прекращения бокового заноса и вывода автомобиля из него нужно повернуть рулевое колесо в сторону заноса. Как только амплитуда заноса станет уменьшаться нужно плавно, опережающими действиями, вернуть рулевое колесо в нейтральное положение, а при необходимости, когда занос пойдет в обратную сторону, и в сторону, противоположную другой амплитуде заноса. Дополнительно:

• на заднеприводных автомобилях плавно уменьшить подачу топлива (плавно убрать ногу с педали «Газ»)
• на переднеприводных автомобилях наоборот, плавно увеличить подачу топлива.

Помимо бокового заноса в повороте на скользкой дороге может возникнуть боковое скольжение. Если при боковом заносе от прямолинейного движения уходит одна, как правило, задняя ось, то при боковом скольжении автомобиль уходит от траектории движения (кривой поворота) всем корпусом (всеми колесами). Да и причины возникновения бокового скольжения иные. Оно возникает тогда, когда водитель повернет управляемые колеса на угол больший, чем способен повернуть автомобиль при текущем коэффициенте сцепления и действующем крутящем моменте на колесах. Особенно ярко это проявляется в повороте с торможением. Для прекращения бокового скольжения необходимо увеличить траекторию движения, и плавно уменьшить подачу топлива.

Во всех случаях возникновения бокового заноса или бокового скольжения, для вывода автомобиля из этих ситуаций водитель должен пользоваться только рулем и педалью «Газ». Запомните: НИКОГДА не нажимать на педаль тормоза, как бы Вам этого не хотелось, не выключать сцепление, и не переключать передачи. Это ВСЕГДА только ухудшает ситуацию!
Влияние центробежной силы на движение автомобиля в повороте столь велико, что водитель просто обязан четко представлять, как действует эта сила на автомобиль. Она будет тем больше, чем больше будет скорость движения, и чем на больший угол будут повернуты управляемые колеса (когда траектория движения будет очень крутой).

Следовательно, влияние этой силы можно уменьшить, зная, чем она вызвана.

Для этого необходимо заблаговременно, до входа в поворот, уменьшить скорость движения до безопасной, а поворот проходить по более пологой кривой, уменьшив угол поворота управляемых колес.

При движении с прицепом нужно помнить о том, что на прицеп большее воздействие оказывает центростремительная, а не центробежная сила. Именно центростремительная сила перемещает прицеп к центру поворота.
Четкое представление водителем того, как поведет себя, управляемый им автомобиль в сложной ситуации, облегчает управление им, предотвращая ДТП.

ньютоновская механика — Почему трение играет роль центростремительной силы при повороте автомобиля?

Спросил 7 лет, 11 месяцев назад

Изменено 5 лет, 9 месяцев назад

Просмотрено 38 тысяч раз

$\begingroup$

Что делает силу трения центростремительной силой автомобиля, поворачивающего по кривой?
Поскольку трение является противодействующей силой и действует антипараллельно, компонент силы трения не направлен к центру, верно? Тогда как сила трения может быть центростремительной силой?

• ньютоновская механика
• трение
• центростремительная сила

$\endgroup$

0

$\begingroup$

Существует два типа силы трения: статическое трение и кинетическое трение.

Кинетическое трение — это сила, возникающая при перетаскивании предмета по полу. Статическое трение — это то, что позволяет вам удерживать предметы, не выскальзывая из пальцев.

Точно так же, когда вы едете, при условии, что колеса не вращаются, ваши колеса отталкиваются от пола, а трение представляет собой противодействующую силу, которая толкает ваше колесо вперед, позволяя вам двигаться вперед. Если статического трения не существует, ваши колеса будут просто вращаться, а ваша машина останется неподвижной, потому что нет силы трения, толкающей вашу машину вперед. (Если вы не можете представить себе это, подумайте о том, что происходит, когда вы гребете на лодке. Вы толкаете весла назад так, чтобы сила сопротивления воды толкала вашу лодку вперед)

Когда вы выполняете поворот, если вы поворачиваете налево, ваши колеса упираются в пол вправо. Статическое трение позволяет полу «отталкиваться» от ваших колес, позволяя вам повернуть налево.

В этом случае единственная сила, действующая в направлении поворота (центростремительная сила), — это сила трения. Поскольку пол является единственной поверхностью, соприкасающейся с автомобилем, трение является единственной силой, действующей на автомобиль по направлению к центру поворота, толкая автомобиль к центру поворота.

$\endgroup$

2

$\begingroup$

Обратите внимание, что трение противостоит не движению, а относительному движению. Пример: рассмотрим ящик, лежащий в купе поезда, который ускоряется. Если коробка неподвижна относительно поезда, она на самом деле ускоряется вместе с поездом. Ясно, что единственной силой в горизонтальном направлении является трение. Если бы это было не так, то пол поезда проскользнул бы мимо, а коробка осталась бы в исходном состоянии по инерции (и ударилась бы о заднюю часть поезда). Таким образом, относительному движению противостоит трение покоя $f_s$.

Теперь перейдем к вашему вопросу: когда автомобиль движется по прямой дороге и собирается повернуть, он имеет тенденцию скользить прямо, то есть наружу относительно дороги. Вы можете представить это, проведя дугу и касательную через точку в ней (Если бы вы стояли в этой точке, наблюдая за касательной, вы бы увидели, что касательная постепенно отклоняется наружу. Это путь, по которому должна следовать скользящая машина. Чтобы остановить скольжение, трение должно действовать внутрь). Теперь, прежде чем начнется скольжение, чтобы противостоять внешнему относительному движению, вступает в действие статическое трение. Он противостоит движению, действуя в противоположном направлении, то есть радиально внутрь поворота. Таким образом, если представить поворот частью окружности, то трение покоя будет играть роль центростремительной силы.

$\endgroup$

$\begingroup$

Без Центростремительной силы Круговое движение не происходит. Здесь Статическое трение действует как центростремительная сила

$\endgroup$

1

Твой ответ

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

Ньютоновская механика — Трение на автомобилях

Задавать вопрос

Спросил 5 лет, 5 месяцев назад

Изменено 4 года, 6 месяцев назад

Просмотрено 18 тысяч раз

$\begingroup$

Известно, что трение определяется как: $F_{friction}=\mu F_n$ , где $F_n$ — нормальная сила, а $\mu$ — коэффициент трения.

Для автомобиля, движущегося с горы с постоянной скоростью, составляющая силы тяжести, параллельная скорости автомобиля, должна быть равна и противоположна силе трения, при этом сила трения противодействует движению автомобиля.

Однако, когда автомобиль движется в гору, для получения постоянной скорости сила трения должна двигаться вверх в гору в том же направлении, что и движение автомобиля, и равна и противоположна силе тяжести которая антипараллельна скорости автомобиля.

Я думал, что трение всегда препятствует движению?

Как автомобиль может ускоряться с той же силой (т.е. трением), которая также заставляет его замедляться. Если нет трения, автомобиль не может разогнаться?

• ньютоновская механика
• трение
• диаграмма свободного тела

$\endgroup$

11

$\begingroup$

Ваши мысли и вопрос хороши. Дело в том, что вы, похоже, неправильно поняли, какие трения на самом деле присутствуют.

• Кинетическое трение возникает при скольжении поверхностей (когда вы толкаете обеденный стол через гостиную). Формула: $$f_k=\mu_k n$$
• Статическое трение присутствует, когда поверхности не скользят, но пытаются (когда вы толкаете стол, но не достаточно сильно, чтобы заставить его двигаться). Формула: $$f_s\leq\mu_s n$$

Оба имеют направление, противодействующее скольжению. Обратите внимание, что последняя формула является формулой максимума — значение может быть любым от 0 до этого значения, поэтому она не очень полезна, если только вы не знаете, что у вас предельный случай.

Когда объект скользит по дороге, мы видим кинетическое трение. Но машина не скользит. Это колеса , рулон . В точке контакта с землей они фактически неподвижны. Они не скользят. Отсутствие кинетического трения. Они стоят неподвижно в этой самой точке, как стол, который вы толкаете, но не настолько сильно, чтобы сдвинуться с места.

Теперь о конкретной ситуации с автомобилем, едущим в гору:

• Если автомобиль припаркован на холме, то статическое трение удерживает его, притягивая вверх и уравновешивая гравитацию, которая тянет вниз. Естественно.
• Является ли автомобиль ускоряющимся в гору, то же самое, но с еще более сильным статическим трением, поскольку автомобиль «тянет себя вперед», цепляясь за землю колесами.

$\endgroup$

3

$\begingroup$

Трение пытается уменьшить (кинетическое трение) или предотвратить (статическое трение) относительное движение между двумя телами.

Подумайте о машине, стартующей с места на ровной поверхности.
Для этого сила трения шины о землю должна быть направлена ​​вперед.
Причина в том, что когда колесо приводится во вращение двигателем, шина начинает проскальзывать относительно земли, и сила трения пытается уменьшить это относительное движение между шиной и землей, двигая автомобиль вперед.
Для отсутствия проскальзывания поступательное ускорение колеса $a$ должно быть равно $r\alpha$, где $r$ — радиус шины, а $r$ — радиус колеса.
За эти ускорения отвечает сила трения покоя.

Обновление

Силы кинетического трения будут пытаться уменьшить относительное движение между двумя поверхностями.

На левом рисунке представьте, что скорость вращения колеса $\omega$ слишком велика или скорость поступательного движения недостаточна для того, чтобы между шиной и землей возникло проскальзывание.

Таким образом, сила трения колеса о землю делает две вещи, пытаясь уменьшить относительное движение между шиной и землей.

• Сила трения пытается увеличить линейную скорость колеса Направо.
• Крутящий момент около $O$ из-за силы трения пытается уменьшить скорость вращения колеса.

Оба этих эффекта приближают колесо к условию отсутствия проскальзывания $v = r \omega$.

На правой диаграмме скорость поступательного движения слишком велика или скорость вращения слишком мала, и в этом случае сила трения пытается заставить колесо вращаться быстрее, в то же время пытаясь замедлить скорость поступательного движения колеса.

$\endgroup$

8

$\begingroup$

Когда ваше колесо приводится в движение двигателем, колесо толкает назад, а противодействующая сила трения толкает вашу машину вперед. То же, что и в случае, когда мы идем. Ноги отталкиваются назад, а противодействующая сила трения толкает нас вперед. направление, противоположное направлению, в котором мы продвигаемся, и в направлении, в котором мы хотим двигаться. Когда автомобиль движется без привода колеса, колесо не отталкивается назад, а просто катится вперед, и сила трения соответственно развивается, чтобы противостоять этому.

$\endgroup$

2

$\begingroup$

Я думаю, возникает неправильное представление, что сила трения не противодействует движению тела, но в более глубоком смысле она противостоит относительному движению между двумя контактирующими поверхностями, которые являются разными вещами. Надеюсь, это решит вашу проблему.

$\endgroup$

Твой ответ

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

ньютоновская механика — Как трение ускоряет автомобиль после отдыха?

Спросил 1 год, 2 месяца назад

Изменено 1 год, 2 месяца назад

Просмотрено 289 раз

$\begingroup$

Если автомобиль движется с использованием силы трения от вращения колес, разве автомобиль не должен иметь возможность ускоряться сразу после того, как автомобиль пришел в движение, так как будет сила трения равной величины, которая противодействует движению автомобиля автомобиль. Я некоторое время пытался подумать о том, как движутся автомобили (с чисто математической точки зрения), однако мне не удалось найти никаких зависимых от скорости вращения уравнений для трения. Единственная идея, которая у меня есть, которая не имеет особого смысла, состоит в том, что вращательное трение пропорционально центростремительной силе, однако, похоже, это не имеет особого смысла. ..

Редактировать: я не хочу знать о конкретных частях автомобиля, о том, как колеса приобретают скорость вращения от автомобиля или что-то в этом роде.

• ньютоновская механика
• силы
• трение
• диаграмма свободного тела

$\endgroup$

$\begingroup$

Я думаю, вы представляете себе, что было бы, если бы машина была металлическим блоком, волочащимся по дороге; кинетическое трение металлического блока, скользящего по дороге, создавало бы силу, противодействующую движению вперед. Но прелесть колес в том, что они вообще не скользят (или не должны) скользить. Вместо этого та часть колеса или шины, которая касается дороги, всегда неподвижна по отношению к дороге (т. е. если она не скользит или не скользит). Итак, представьте, что ведущие колеса прилагают силу к дороге, и дорога отталкивается назад в точке, где колеса касаются ее, так что эта сила толкает машину вперед в этот момент. В следующее мгновение другая часть шины касается дороги и «повторяет» это взаимодействие, но кинетического трения нет, только статическое трение, потому что нижняя точка шины по-прежнему неподвижна относительно дороги. Если это не имеет смысла, представьте, что нижняя часть шины движется назад по отношению к машине, поскольку дорога также «двигается назад» по отношению к машине, и посмотрите, как они движутся назад вместе.

$\endgroup$

2

$\begingroup$

Статическое трение между поверхностью шин и дорогой фактически толкает автомобиль вперед.

«Вращательное трение», если вы имеете в виду кинетическое трение оси, вращающейся вокруг, пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением воздуха. Трение качения шин также довольно мало.

$\endgroup$

4

$\begingroup$

Если автомобиль движется с использованием силы трения от вращения колеса, разве машина не должна разогнаться сразу после автомобиль движется, так как сила трения будет равна величина, противодействующая движению автомобиля.

Приводной вал автомобиля передает крутящий момент на ведущее колесо, которое отталкивает его от дороги. Затем, в соответствии с 3-м законом Ньютона, статическое трение между дорогой и колесом действует на транспортное средство с равной и противоположной силой. Поскольку эта статическая сила трения является единственной внешней силой, действующей на транспортное средство в прямом направлении, именно эта сила отвечает за ускорение автомобиля. См. рисунок ниже.

Силами, противодействующими ускорению автомобиля вперед, являются сопротивление воздуха и различные источники механического кинетического трения (например, трение осей и различные источники трения в компонентах трансмиссии). Других сил, противодействующих ускорению, кроме силы, называемой сопротивлением качению, нет. Его иногда называют трением качения, и он возникает из-за неупругого сжатия и разжимания резины шины при контакте с дорогой, что приводит к выделению тепла. Сопротивление качению, которое заставляет колесо замедляться при движении накатом, относительно мало по сравнению со статическим трением, которое заставляет автомобиль ускоряться вперед.

Надеюсь, это поможет.

$\endgroup$

Твой ответ

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Красный свет, зеленый свет: силы трения, дороги и шины — Урок

(4 рейтинга)

Нажмите здесь, чтобы оценить

Quick Look

Уровень: 8 (7-9)

Необходимое время: 45 минут

Зависимость от урока:

Что заставляет самолеты летать?

Движение

предметных областей: Физические науки, физика

NGSS Ожидаемые характеристики:

МС-ПС2-2

---

Доля:

TE Информационный бюллетень

Резюме

Основываясь на своем понимании сил и законов движения Ньютона, учащиеся узнают о силе трения, особенно в отношении автомобилей. Они исследуют трение между шинами и дорогой, чтобы узнать, как оно влияет на движение автомобилей во время вождения. В связанной деятельности по обучению грамоте учащиеся исследуют тему конфликта в литературе, а также разницу между внутренним и внешним конфликтом, а также различные типы конфликтов. Истории используются для обсуждения методов управления и разрешения конфликтов и межличностных трений.

Эта учебная программа по инженерному делу соответствует научным стандартам следующего поколения (NGSS).

Инженерное подключение

Инженеры используют свое понимание силы трения для проектирования безопасных дорог, шин, автомобилей и тормозов. Транспортные и автомобильные инженеры следят за тем, чтобы дороги и шины обеспечивали необходимое сцепление с дорогой, поскольку трение обеспечивает сцепление и управляемость для безопасного вождения, особенно в условиях обледенения или дождя. Даже проектирование того, как бумага проходит через копировальную машину, требует понимания трения. Инженеры также уменьшают силу трения между движущимися механическими частями (в двигателях, инструментах, протезах и т. д.), чтобы детали работали более плавно и дольше.

Цели обучения

После этого урока учащиеся должны уметь:

• Объясните, как трение связано с движением автомобилей (движение вперед, остановка, повороты).
• Определить трение как силу, которая сопротивляется движению объекта, движущегося относительно другого объекта
• Предсказать способы улучшения движения автомобилей на снегу и льду и объяснить, почему
• Связь проектирования с силами трения, особенно при проектировании автомобилей

Образовательные стандарты

Каждый урок или занятие TeachEngineering соотносится с одной или несколькими науками K-12, технологические, инженерные или математические (STEM) образовательные стандарты.

Все более 100 000 стандартов K-12 STEM, включенных в TeachEngineering , собираются, поддерживаются и упаковываются Сеть стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www. achievementstandards.org).

В ASN стандарты структурированы иерархически: сначала по источнику; напр. по штатам; внутри источника по типу; напр. , естествознание или математика; внутри типа по подтипу, затем по классам, и т.д. .

NGSS: Научные стандарты нового поколения — Наука

Ожидаемая производительность NGSS
МС-ПС2-2. Спланируйте исследование, чтобы предоставить доказательства того, что изменение движения объекта зависит от суммы сил, действующих на объект, и массы объекта. (6-8 классы) Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Нажмите, чтобы просмотреть другую учебную программу, соответствующую этому ожидаемому результату
Этот урок посвящен следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Научная и инженерная практика	Основные дисциплинарные идеи	Концепции раскряжевки
Планируйте расследование индивидуально и совместно, а также в ходе разработки: определяйте независимые и зависимые переменные и элементы управления, какие инструменты необходимы для сбора данных, как будут регистрироваться измерения и сколько данных необходимо для поддержки заявления. Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв! Научные знания основаны на логических и концептуальных связях между фактами и объяснениями. Соглашение о примирении: Спасибо за ваш отзыв!	Движение объекта определяется суммой действующих на него сил; если общая сила, действующая на объект, не равна нулю, его движение изменится. Чем больше масса объекта, тем большая сила необходима для достижения такого же изменения движения. Для любого данного объекта большая сила вызывает большее изменение движения. Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв! Все положения объектов и направления сил и движений должны быть описаны в произвольно выбранной системе отсчета и произвольно выбранных единицах размера. Для того, чтобы поделиться информацией с другими людьми, эти выборы также должны быть разделены. Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!	Объяснение стабильности и изменений в естественных или искусственных системах может быть построено путем изучения изменений во времени и сил в различных масштабах. Соглашение о примирении: Спасибо за ваш отзыв!

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии – технология

ГОСТ

Предложите выравнивание, не указанное выше

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Подписывайся

Подпишитесь на нашу рассылку новостей, чтобы получать внутреннюю информацию обо всем, что связано с TeachEngineering, например, о новых функциях сайта, обновлениях учебных программ, выпусках видео и многом другом!

PS: Мы никому не передаем личную информацию и электронные письма.

Больше учебных программ, подобных этому

Деятельность средней школы

Слайдеры (для старших классов)

В ходе этого практического занятия учащиеся узнают о двух типах трения — статическом и кинетическом — и об уравнении, которое ими управляет. Они также экспериментально измеряют коэффициент статического трения и коэффициент кинетического трения.

Слайдеры (для старшей школы)

Деятельность средней школы

Слайдеры

Учащиеся узнают о двух типах трения — статическом и кинетическом — и уравнении, которое ими управляет. Они также экспериментально измеряют коэффициент статического трения.

Слайдеры

Предварительные знания

Силы, законы движения Ньютона

Введение/Мотивация

Вспомните, когда вы в последний раз ездили в автобусе или автомобиле. Почему на одних машинах на зеленый свет крутятся колеса, а на других машины едут вперед без пробуксовки колес? Почему машины с визгом останавливаются, когда водитель резко тормозит? Что заставляет автомобиль, движущийся со скоростью 60 миль в час, оставаться на шоссе, безопасно двигаясь вперед? Ответом на все эти вопросы является сила ТРЕНИЯ (и законы движения Ньютона, конечно)! Инженеры должны понимать силу трения, чтобы проектировать безопасные дороги, шины, автомобили и тормоза. Инженеры также пытаются уменьшить силу трения между движущимися механическими частями, чтобы они служили дольше.

Когда шины автомобиля начинают поворачиваться, трение между дорогой и шинами заставляет автомобиль двигаться вперед. Точно так же, когда автомобиль поворачивает, трение между дорогой и шинами удерживает автомобиль от соскальзывания с обочины (помните первый закон Ньютона? прямая линия — прямо с дороги!) Когда автомобиль замедляется, трение между дорогой и шинами помогает остановить автомобиль, поскольку колеса замедляются. Именно трение между колесами и тормозными колодками заставляет колеса замедляться. Очевидно, что трение является очень важной силой, когда вы едете в автомобиле!

Представьте, что трение между дорогой и шинами стало намного меньше. Представьте, что между вашим ботинком и льдом возникает такое же трение, как если бы вы шли по покрытому льдом озеру. Что случилось бы? Автомобили будут скользить по всей дороге, потому что трения между дорогой и шиной будет недостаточно, чтобы удерживать шину на дороге. Машинам будет трудно тронуться с места, потому что их колеса будут пробуксовывать. Кроме того, машинам будет сложно остановиться. Представьте, что вы пытаетесь остановить автомобиль, нажав на тормоза, если бы между шинами и дорогой не было трения — что бы произошло? Даже если бы колеса перестали вращаться, машина продолжала бы скользить по дорогам с низким коэффициентом трения! Автомобиль будет скользить и выходить из-под контроля, пересекая желтую линию или в кювет!

Иногда во время дождя или снега трение между шинами и дорогой может значительно уменьшиться, и возникает опасность скольжения автомобиля. Из-за этой опасности инженеры разработали дополнительные безопасные тормоза — антиблокировочную систему (АБС) с компьютерным управлением. Поскольку эти тормоза с АБС управляются компьютером, они всегда могут определять, что делает каждое колесо. Поскольку компьютер знает, что делают все четыре колеса, если одно колесо вот-вот начнет скользить при попытке затормозить, система ABS может отрегулировать остальные три колеса так, чтобы автомобиль не скользил. Обратитесь к увлекательному и практическому занятию «Гонщики на воздушной подушке»! для студентов, чтобы исследовать трение между двумя поверхностями. Продолжение связанного действия Как далеко? Измерение трения с использованием различных материалов, чтобы учащиеся узнали, как разные текстуры создают различное трение для объектов, движущихся по ним.

Однако наша воображаемая дорога с низким коэффициентом трения не так уж и плоха. Если бы автомобиль мог двигаться с очень небольшим трением между шинами и дорогой, он был бы намного более экономичным, потому что двигателю не приходилось бы слишком много работать, чтобы поддерживать движение автомобиля. Транспортные и автомобильные инженеры следят за тем, чтобы дороги и шины имели достаточное трение — слишком большое, и автомобильным двигателям придется выполнять больше работы, чтобы продолжать движение; слишком мало, и машины не будут прилипать к дороге!

Инженеры используют эту связь между трением и динамикой шины/дороги, чтобы делать дороги из материала, который способствует трению в целях безопасности, но не слишком сильному трению, чтобы автомобилям не приходилось слишком много работать, чтобы двигаться вперед. В районах с большим количеством снега некоторые люди используют специальные шины с металлическими шипами, потому что металлические шипы вонзаются в снег и лед, создавая большее трение, чем одна резина. Иногда дороги настолько обледенели, что людям даже приходится надевать цепи на шины, чтобы создать достаточное трение между автомобильными шинами и дорогой, чтобы они не скользили по всей дороге.

После урока обратитесь к соответствующему упражнению «Чтобы запутаться, нужны двое», чтобы расширить представление о трениях в личных отношениях с помощью историй.

Предыстория урока и концепции для учителей

Трение — это сила, которая возникает, когда предметы трутся друг о друга. Сила трения между дорогой и шиной — это то, что позволяет шине «отталкиваться» от дороги, тем самым двигая автомобиль вперед (третий закон Ньютона — действие — толкающая сила трения, противодействие — движение автомобиля вперед). Представьте, что машину опускают на домкрате. Когда шины вообще не касаются земли (и поэтому трения между шинами и землей нет), шины могут пробуксовывать, но автомобиль не движется. В тот самый момент, когда шины впервые касаются земли, они «цепляются» за землю. Этот «захват» представляет собой силу трения между шиной и землей. Когда шины «цепляются» за землю, автомобиль движется вперед. Иногда, например, когда автомобиль стоит на льду, грязи или песке, сил трения шин автомобиля недостаточно, чтобы сцепиться с землей, и поэтому автомобиль с трудом движется вперед (пробуксовывает или скользит). Таким образом, хотя трение часто считают силой, противодействующей движению объекта, движение автомобиля было бы невозможно без трения! Трение может замедлять движение автомобиля по дороге, но оно также является той силой, которая вообще позволяет автомобилю двигаться вперед. Именно сила трения удерживает шины от скольжения по дороге. Точно так же именно трение заставляет автомобиль останавливаться при торможении. Итак, именно сила трения заставляет автомобиль ускоряться вперед, а также замедляться до полной остановки.

Трение также очень важно, когда автомобиль входит в поворот. Если трения между дорогой и шинами недостаточно, автомобиль будет соскальзывать с дороги боком, а не поворачивать за угол. На грунтовых дорогах меньше трения, чем на дорогах с твердым покрытием, поэтому автомобили иногда скользят на поворотах по грунтовым дорогам на телевидении или в фильмах. Если автомобили едут очень быстро, задние колеса могут скользить, и автомобиль будет «рыбий хвост» при повороте.

Связанные виды деятельности

Закрытие урока

Предложите учащимся объяснить, что они думают о трении. Почему оно замедляет движение, но в то же время делает движение возможным? Почему трение так важно для понимания инженерами, строящими автомобили? Каковы некоторые дополнительные применения трения в повседневной жизни и для инженеров? Какой была бы жизнь без трения?

Словарь/Определения

Сила: Что-то, что действует извне, чтобы толкать или тянуть объект. Например, взрослый, тянущий ребенка в тележке, воздействует на тележку.

Трение: Сила, возникающая, когда предметы трутся друг о друга.

Третий закон Ньютона: на каждое действие есть равное и противоположное противодействие.

Оценка

Оценка перед уроком

Вопрос для обсуждения: Запрашивайте, объединяйте и обобщайте ответы учащихся.

• Какие силы заставляют автомобиль, движущийся со скоростью 60 миль в час, оставаться на шоссе, безопасно двигаясь вперед? Почему машина не тормозит, виляет направо и налево, не скользит по дороге? (Ответ: ТРЕНИЕ и третий закон движения Ньютона. Трение между дорогой и шинами автомобиля заставляет его двигаться вперед.)

Оценка после внедрения

Вопрос/ответ: Спросите учащихся и обсудите в классе:

• Представьте, что вы пытаетесь остановить машину, нажав на тормоза, если бы между колесами не было трения о дорогу. Что случилось бы? (Ответ: Если бы не было трения, колеса остановились бы, но машина продолжала бы скользить и вообще не замедлялась бы. Машина останавливалась только тогда, когда обо что-нибудь ударялась.)
• Можете ли вы представить себе ситуацию, в которой инженеру может понадобиться меньше трения? Когда инженеру может понадобиться больше трения? (Возможные ответы: Инженеры пытаются уменьшить трение между движущимися частями, чтобы они не изнашивались так быстро. Увеличение трения — полезный способ замедлить работу — так работают тормоза в автомобиле, велосипеде или скутере! есть много других возможных ответов на этот вопрос.)

Оценка итогов урока

Круглый стол: Пусть класс разделится на команды по 3–5 человек в каждой. Пусть учащиеся каждой команды составят список способов, с помощью которых трение влияет на автомобили, каждый человек по очереди записывает идеи. Учащиеся передают список по группе, пока все идеи не будут исчерпаны. Предложите командам прочитать вслух ответы и записать их на доске. (Предложение: трение возникает не только между колесами и дорогой, но и между всеми движущимися частями двигателя, тормозами и т. д.)

Friction Boggle!: Повторите то же действие, что и выше, за исключением случаев, когда команды читают вслух свои ответы и записывают их на доске. Спросите, пришли ли другие команды к такой же идее. Если у какой-либо другой команды на листе есть такой же ответ, все команды должны вычеркнуть этот ответ в своем списке. Побеждает та команда, у которой окажется больше всего «уникальных» идей!

Расширение урока

Попросите учеников пойти домой и покататься на велосипеде, а затем вернуться в школу с некоторыми наблюдениями о движении велосипеда и трении, которое они сделали во время езды на велосипеде. Чем шоссейные велосипеды отличаются от горных? Почему шины разные?

Попросите учеников исследовать суда на воздушной подушке. Как они работают? Как быстро они могут идти? По каким поверхностям они могут пройти? Какую роль играет трение в движении судов на воздушной подушке?

использованная литература

Гиттевитт, Пол. Концептуальная физика. Менло-Парк, Калифорния: Аддисон-Уэсли, 1992.

.

Хаузер, Джилл Франкель. Штучки и гаджеты: создание научных хитростей, которые работают (и понимание почему). Шарлотта, VT: Williamson Publishing, 1999.

.

Каган, Спенсер. Совместное обучение. Капистрано, Калифорния: Совместное обучение Кагана, 1994 г. (Источник для оценки круглого стола.)

ВанКлив, Дженис. Физика для каждого ребенка: 101 простой эксперимент с движением, теплом, светом, машинами и звуком. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: John Wiley and Sons Inc., 19 лет.91.

Вольфсон, Ричард и Джей М. Пасачофф. Физика: для ученых и инженеров. Рединг, Массачусетс: Addison-Wesley Longman Inc., 1999.

.

Авторские права

© 2004 Регенты Колорадского университета.

Авторы

Сэйбер Дюрен; Бен Хивнер; Малинда Шефер Зарске; Дениз Карлсон

Программа поддержки

Комплексная программа преподавания и обучения, Инженерный колледж Колорадского университета в Боулдере

Благодарности

Содержание этой учебной программы цифровой библиотеки было разработано в рамках гранта Фонда улучшения послесреднего образования (FIPSE), Министерства образования США и Национального научного фонда, грант GK-12 №. 0338326. Однако это содержание не обязательно отражает политику Министерства образования или Национального научного фонда, и вы не должны исходить из того, что оно одобрено федеральным правительством.

Последнее изменение: 29 июля 2020 г.

Трение | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Обсуждать общие характеристики трения.
• Опишите различные виды трения.
• Рассчитайте величину статического и кинетического трения.

Трение — это сила, постоянно присутствующая вокруг нас, которая противодействует относительному движению между контактирующими системами, но также позволяет нам двигаться (что вы обнаружили, если когда-либо пытались ходить по льду). Хотя трение является обычной силой, поведение трения на самом деле очень сложное и до сих пор полностью не изучено. Мы должны в значительной степени полагаться на наблюдения для любого понимания, которое мы можем получить. Однако мы все еще можем иметь дело с его более элементарными общими характеристиками и понять обстоятельства, в которых он ведет себя.

Трение

Трение — это сила, противодействующая относительному движению между контактирующими системами.

Одной из самых простых характеристик трения является то, что оно параллельно поверхности контакта между системами и всегда в направлении, противодействующем движению или попытке движения систем друг относительно друга. Если две системы находятся в контакте и движутся друг относительно друга, то трение между ними называется кинетическим трением . Например, трение замедляет скольжение хоккейной шайбы по льду. Но когда объекты неподвижны, между ними может действовать статическое трение ; статическое трение обычно больше, чем кинетическое трение между объектами.

Кинетическое трение

Если две системы находятся в контакте и движутся друг относительно друга, то трение между ними называется кинетическим трением.

Представьте, например, что вы пытаетесь сдвинуть тяжелый ящик по бетонному полу — вы можете давить на ящик все сильнее и сильнее и не двигать его вообще. Это означает, что статическое трение реагирует на то, что вы делаете — оно увеличивается, чтобы быть равным вашему толчку и в противоположном направлении. Но если вы, наконец, нажмете достаточно сильно, ящик, кажется, внезапно соскользнет и начнет двигаться. Находясь в движении, его легче поддерживать в движении, чем было запустить, что указывает на то, что кинетическая сила трения меньше, чем статическая сила трения. Если вы добавляете массу к ящику, скажем, кладете на него коробку, вам нужно давить еще сильнее, чтобы он начал двигаться, а также чтобы он продолжал двигаться. Кроме того, если вы смазаете бетон маслом, вам будет легче запустить ящик и поддерживать его в рабочем состоянии (как и следовало ожидать).

На рис. 1 показано грубое графическое изображение того, как возникает трение на границе раздела двух объектов. При ближайшем рассмотрении этих поверхностей видно, что они шероховатые. Поэтому, когда вы нажимаете, чтобы заставить объект двигаться (в данном случае ящик), вы должны поднимать объект до тех пор, пока он не сможет прыгать вместе с ударами только кончиками поверхности, отламывать точки или делать и то, и другое. Значительной силе можно сопротивляться трением без видимого движения. Чем сильнее прижимаются поверхности друг к другу (например, если на ящик кладут еще одну коробку), тем больше усилий требуется для их перемещения. Часть трения обусловлена ​​силами сцепления между поверхностными молекулами двух объектов, которые объясняют зависимость трения от природы веществ. Адгезия зависит от контактирующих веществ и представляет собой сложный аспект физики поверхности. Когда объект движется, становится меньше точек соприкосновения (меньше прилипающих молекул), поэтому для удержания объекта в движении требуется меньшее усилие. При малых, но отличных от нуля скоростях трение почти не зависит от скорости.

Рисунок 1.

Силы трения, такие как f , всегда препятствуют движению или попытке движения между соприкасающимися объектами. Трение возникает отчасти из-за шероховатости соприкасающихся поверхностей, как видно на увеличенном виде. Для того чтобы объект двигался, он должен подняться туда, где пики могут проскакивать по нижней поверхности. Таким образом, сила требуется только для того, чтобы привести объект в движение. Некоторые из пиков будут сломаны, что также потребует силы для поддержания движения. На самом деле большая часть трения возникает из-за сил притяжения между молекулами, составляющими два объекта, так что даже идеально гладкие поверхности не лишены трения. Такие силы сцепления также зависят от веществ, из которых сделаны поверхности, что объясняет, например, почему обувь с резиновой подошвой скользит меньше, чем обувь с кожаной подошвой.

Величина силы трения имеет две формы: одна для статических ситуаций (статическое трение), другая для движения (кинетическое трение).

When there is no motion between the objects, the magnitude of static friction f _s is f _s  ≤  μ _s N , where μ _s is коэффициент трения покоя и N — величина нормальной силы (силы, перпендикулярной поверхности).

величина статического трения

величина статического трения F _S IS F _S ≤ μ _S N , где 9035 9035 9035 _С. . Н — величина нормальной силы.

Символ ≤ означает, что меньше или равно , подразумевая, что статическое трение может иметь минимальное и максимальное значение μ _с Н . Статическое трение — это реактивная сила, которая увеличивается, чтобы быть равной и противоположной любой приложенной силе, вплоть до своего максимального предела. Как только приложенная сила превысит f _s(max) , объект начнет двигаться. Таким образом, f _s(max) = μ _s N .

Когда объект движется, величина кинетического трения f _k определяется выражением f _k = μ _k N , где μ _k — коэффициент кинетического трения. Система, в которой f _k = μ _k N , описывается как система, в которой трение ведет себя просто .

Величина кинетического трения.

Величина кинетического трения.0034 μ _k — коэффициент кинетического трения.

Как видно из таблицы 1, коэффициенты кинетического трения меньше, чем их статические аналоги. То, что значения μ в Таблице 1 указаны только с одной или, самое большее, с двумя цифрами, является указанием на приблизительное описание трения, данное двумя приведенными выше уравнениями.

Таблица 1. Коэффициенты статического и кинетического трения
Система	Статическое трение мк с	Кинетическое трение μ k
Резина на сухом бетоне	1,0	0,7
Резина на мокром бетоне	0,7	0,5
Дерево на дереве	0,5	0,3
Вощеная древесина на мокром снегу	0,14	0,1
Металл на дереве	0,5	0,3
Сталь по стали (сухая)	0,6	0,3
Сталь по стали (промасленный)	0,05	0,03
Тефлон на стали	0,04	0,04
Кость, смазанная синовиальной жидкостью	0,016	0,015
Туфли на дереве	0,9	0,7
Обувь на льду	0,1	0,05
Лед на льду	0,1	0,03
Сталь на льду	0,4	0,02

Приведенные ранее уравнения включают зависимость трения от материалов и нормальную силу. Направление трения всегда противоположно движению, параллельно поверхности между объектами и перпендикулярно нормальной силе. Например, если ящик, который вы пытаетесь толкнуть (с усилием, параллельным полу), имеет массу 100 кг, то нормальная сила будет равна его весу, Вт = мг = (100 кг)(9,80 м/с ² ) = 980 Н, перпендикулярно полу. Если коэффициент статического трения равен 0,45, вам придется приложить силу, параллельную полу, большую, чем 440N, чтобы переместить ящик. Когда есть движение, трение меньше, а коэффициент кинетического трения может быть 0,30, так что сила всего 290 Н f _k = μ _k Н = (0,30)(980 Н) = 290 Н поддерживает движение с постоянной скоростью. Если пол смазан, оба коэффициента значительно меньше, чем без смазки. Коэффициент трения – это безразмерная величина, величина которой обычно находится в диапазоне от 0 до 1,0. Коэффициент трения зависит от двух соприкасающихся поверхностей.

Эксперимент на вынос

Найдите небольшой пластиковый предмет (например, пищевой контейнер) и поставьте его на кухонный стол, слегка постукивая по нему. Теперь распылите воду на стол, имитируя легкий дождь. Что происходит теперь, когда вы нажимаете на объект того же размера? Теперь добавьте несколько капель масла (растительного или оливкового) на поверхность воды и дайте такой же кран. Что происходит? Эта последняя ситуация особенно важна для водителей, особенно после небольшого дождя. Почему?

Многие люди испытывают скользкость при ходьбе по льду. Однако многие части тела, особенно суставы, имеют гораздо меньший коэффициент трения — часто в три-четыре раза меньше, чем лед. Сустав образован концами двух костей, которые соединены толстыми тканями. Коленный сустав образован костью голени (голенью) и бедренной костью (бедренной костью). Тазобедренный сустав представляет собой шаровидный (на конце бедренной кости) и впадинный (часть таза) сустав. Концы костей в суставе покрыты хрящом, что обеспечивает гладкую, почти стекловидную поверхность. Суставы также вырабатывают жидкость (синовиальную жидкость), которая уменьшает трение и износ. Поврежденный или пораженный артритом сустав можно заменить искусственным суставом (рис. 2). Эти заменители могут быть изготовлены из металлов (нержавеющая сталь или титан) или пластмассы (полиэтилен), также с очень низкими коэффициентами трения.

Рисунок 2. Эндопротезирование коленного сустава искусственным путем проводится уже более 20 лет. На этом рисунке мы видим послеоперационные рентгеновские снимки замены правого коленного сустава. (кредит: Майк Бэрд, Flickr)

Другие природные смазки включают слюну, вырабатываемую во рту, чтобы помочь в процессе глотания, и скользкую слизь, находящуюся между органами в теле, позволяющую им свободно перемещаться друг мимо друга во время сердцебиения, во время дыхания , и когда человек двигается. Искусственные смазки также распространены в больницах и поликлиниках. Например, при ультразвуковой визуализации гель, соединяющий датчик с кожей, также служит для смазывания поверхности между датчиком и кожей, тем самым снижая коэффициент трения между двумя поверхностями. Это позволяет датчику свободно перемещаться по коже.

Пример 1. Упражнение на лыжах

Лыжник массой 62 кг скользит по заснеженному склону. Найдите коэффициент кинетического трения для лыжника, если известно, что трение равно 45,0 Н.

Стратегия

Величина кинетического трения принята равной 45,0 Н. Кинетическое трение связано с нормальной силой Н соотношением f _k  =  μ _k N ; таким образом, коэффициент кинетического трения можно найти, если мы сможем найти нормальную силу лыжника на склоне. Нормальная сила всегда перпендикулярна поверхности, а поскольку движение перпендикулярно поверхности отсутствует, нормальная сила должна равняться составляющей веса лыжника, перпендикулярной склону. (См. диаграмму «лыжник и свободное тело» на рис. 3.)

Рис. 3.

Движение лыжника и трение параллельны склону, поэтому все силы удобнее всего спроецировать на систему координат, где одна ось параллельна склону, а другая перпендикулярна (оси показаны на слева от лыжника). N (нормальная сила) перпендикулярна склону, а f (трение) параллельно склону, но w (вес лыжника) имеет составляющие по обеим осям, а именно w _⊥ и W _// . N равно по модулю w _⊥ , поэтому движение перпендикулярно склону отсутствует. Однако по модулю f меньше, чем W _// , поэтому имеется ускорение вниз по склону (вдоль оси x ).

То есть N = w _⊥ = w cos 25º = мг cos 25º.

Подставив это выражение в наше выражение для кинетического трения, мы получим f _k  = μ _k мг cos 25º, которое теперь можно найти для коэффициента кинетического трения 92)(0,906)}=0,082\\[/латекс].

Обсуждение

Этот результат немного меньше, чем коэффициент, указанный в таблице 5.1 для вощеной древесины на снегу, но все же разумен, так как значения коэффициентов трения могут сильно различаться. В подобных ситуациях, когда объект массой м скользит по склону, образующему с горизонтом угол θ , трение определяется как . В этих условиях все объекты будут скользить вниз по склону с постоянным ускорением. Доказательство этого оставлено для задач и упражнений этой главы.

Эксперимент на память

Объект будет скользить по наклонной плоскости с постоянной скоростью, если результирующая сила, действующая на объект, равна нулю. Мы можем использовать этот факт для измерения коэффициента кинетического трения между двумя объектами. Как показано в примере 1, кинетическое трение на склоне f _k = μ _k мг cos θ. Компонент веса вниз по склону равен мг sin θ (см. диаграмму свободного тела на рисунке 3). Эти силы действуют в противоположных направлениях, поэтому, когда они имеют одинаковую величину, ускорение равно нулю. Выписывая это:

F _K = FG _x

μ _K MG COS θ = MG .

Решая для μ _k , мы находим, что

[латекс]\displaystyle\mu_{\text{k}}=\frac{mg\sin\theta}{mg\cos\theta}=\tan \theta\\[/latex]

Положите монету на книгу и наклоняйте ее, пока монета не будет скользить по книге с постоянной скоростью. Возможно, вам придется слегка постучать по книге, чтобы заставить монету двигаться. Измерьте угол наклона относительно горизонтали и найдите мк _к . Обратите внимание, что монета вообще не начнет скользить, пока не будет достигнут угол, больший θ , поскольку коэффициент статического трения больше, чем коэффициент кинетического трения. Обсудите, как это может повлиять на значение μ _k и его неопределенность.

Мы обсуждали, что когда объект лежит на горизонтальной поверхности, на него действует нормальная сила, равная по величине его весу. Кроме того, простое трение всегда пропорционально нормальной силе.

Соединения: субмикроскопические объяснения трения

Наиболее простыми аспектами трения, которые рассматривались до сих пор, были его макроскопические (крупномасштабные) характеристики. За последние несколько десятилетий были достигнуты большие успехи в объяснении трения на атомном уровне. Исследователи обнаружили, что атомарная природа трения, по-видимому, имеет несколько фундаментальных характеристик. Эти характеристики не только объясняют некоторые из более простых аспектов трения, они также несут в себе потенциал для разработки сред, почти свободных от трения, которые могли бы сэкономить сотни миллиардов долларов энергии, которая в настоящее время преобразуется (без необходимости) в тепло.

На рисунке 4 иллюстрирована одна макроскопическая характеристика трения, которая объясняется микроскопическими (мелкомасштабными) исследованиями. Мы заметили, что трение пропорционально нормальной силе, но не площади контакта, что несколько противоречит здравому смыслу. Когда соприкасаются две шероховатые поверхности, фактическая площадь контакта составляет крошечную часть от общей площади, поскольку соприкасаются только высокие точки. Когда действует большая нормальная сила, фактическая площадь контакта увеличивается, и оказывается, что трение пропорционально этой площади.

Рисунок 4. Две соприкасающиеся шероховатые поверхности имеют гораздо меньшую площадь фактического контакта, чем их общая площадь. Когда есть большая нормальная сила в результате большей приложенной силы, площадь фактического контакта увеличивается, как и трение.

Но представление в атомном масштабе обещает объяснить гораздо больше, чем простые особенности трения. В настоящее время определяется механизм образования тепла. Другими словами, почему поверхности нагреваются при трении? По сути, атомы связаны друг с другом, образуя решетки. Когда поверхности трутся, поверхностные атомы прилипают и вызывают вибрацию атомных решеток, по существу создавая звуковые волны, которые проникают в материал. Звуковые волны уменьшаются с расстоянием, и их энергия преобразуется в тепло. Химические реакции, связанные с фрикционным износом, также могут происходить между атомами и молекулами на поверхностях. На рис. 5 показано, как кончик зонда, проведенного по другому материалу, деформируется за счет трения атомного масштаба. Сила, необходимая для перетаскивания наконечника, может быть измерена, и установлено, что она связана с напряжением сдвига, которое будет обсуждаться далее в этой главе. Изменение напряжения сдвига заметно (более чем в 10 9 раз).0929 12 ) и трудно поддающееся теоретическому прогнозированию, но напряжение сдвига дает фундаментальное понимание крупномасштабного явления, известного с древних времен, — трения.

Рис. 5. Наконечник зонда деформируется вбок под действием силы трения, когда зонд тащит по поверхности. Измерения того, как сила меняется для разных материалов, дают фундаментальное представление об атомной природе трения.

PhET Explorations: Forces and Motion

Узнайте, какие силы действуют, когда вы пытаетесь толкнуть картотечный шкаф. Создайте приложенную силу и посмотрите результирующую силу трения и общую силу, действующую на шкаф. Диаграммы показывают силы, положение, скорость и ускорение в зависимости от времени. Нарисуйте диаграмму всех сил свободного тела (включая силы тяжести и нормальные силы).

Нажмите, чтобы загрузить. Запуск с использованием Java.

 

Резюме раздела

• Трение — это контактная сила между системами, которая препятствует движению или попытке движения между ними. Простое трение пропорционально нормальной силе N, сталкивающей системы друг с другом. (Нормальная сила всегда перпендикулярна поверхности контакта между системами.) Трение зависит от обоих задействованных материалов. Величина статического трения [латекс]{f}_{\text{s}}\\[/latex] между системами, неподвижными относительно друг друга, определяется формулой [latex]{f}_{\text{s}}\ le {\mu }_{\text{s}}N\\[/latex], где [latex]{\mu }_{\text{s}}\\[/latex] — коэффициент статического трения, что зависит от обоих материалов.
• Кинетическая сила трения [латекс]{f}_{\text{k}}\\[/latex] между системами, движущимися относительно друг друга, определяется выражением [latex]{f}_{\text{k}}= {\mu }_{\text{k}}N\\[/latex], где [latex]{\mu }_{\text{k}}\\[/latex] — коэффициент кинетического трения, который также зависит от обоих материалов.

Концептуальные вопросы

1. Дайте определение нормальной силе. Каково его отношение к трению, когда трение ведет себя просто?
2. Клей на куске ленты может оказывать воздействие. Могут ли эти силы быть разновидностью простого трения? Объясните, особенно учитывая, что лента может приклеиваться к вертикальным стенам и даже к потолку.
3. Когда вы учитесь водить машину, вы обнаружите, что вам нужно немного отпустить педаль тормоза, когда вы останавливаетесь, иначе машина остановится рывком. Объясните это с точки зрения связи между статическим и кинетическим трением.
4. Когда вы водите мелом по классной доске, он иногда скрипит, потому что быстро то соскальзывает, то прилипает к доске. Опишите этот процесс более подробно, объяснив, в частности, как он связан с тем, что кинетическое трение меньше статического трения. (Тот же процесс проскальзывания происходит, когда шины визжат по асфальту.)

Задачи и упражнения

Ответы на задачи в этом разделе выражайте с правильным количеством значащих цифр и правильными единицами измерения.

1. Студент-физик готовит завтрак, когда замечает, что сила трения между его стальным шпателем и тефлоновой сковородой составляет всего 0,200 Н. Зная коэффициент кинетического трения между двумя материалами, он быстро вычисляет нормальную силу. Что это?
2. При восстановлении двигателя своей машины студентка-физик должна приложить усилие 300 Н, чтобы вставить сухой стальной поршень в стальной цилиндр. а) Какова величина нормальной силы между поршнем и цилиндром? (б) Какова величина силы, которую она должна была бы приложить, если бы стальные детали были смазаны маслом?
3. а) Какова максимальная сила трения в коленном суставе человека, который поддерживает на этом колене 66,0 кг своей массы? (b) Во время напряженных упражнений на суставы можно воздействовать силой, в десять раз превышающей поддерживаемый вес. Какова максимальная сила трения при таких условиях? Силы трения в суставах относительно малы при любых обстоятельствах, за исключением случаев, когда суставы изнашиваются, например, в результате травмы или артрита. Увеличение силы трения может привести к дальнейшему повреждению и боли.
4. Предположим, у вас есть 120-килограммовый деревянный ящик, стоящий на деревянном полу. а) Какую максимальную силу вы можете приложить горизонтально к ящику, не сдвигая его? (б) Если вы продолжите прикладывать эту силу, как только ящик начнет скользить, какова будет тогда величина его ускорения?
5. (a) Если половина веса небольшого 1,00 × 10 ³ кг грузового автомобиля приходится на два ведущих колеса, какова величина максимального ускорения, которое он может развить на сухом бетоне? б) Будет ли металлический шкаф, лежащий на деревянном кузове грузовика, скользить, если он будет двигаться с такой скоростью? (c) Решите обе задачи, предполагая, что грузовик имеет полный привод.
6. Упряжка из восьми собак тянет нарты с полозьями из вощеного дерева по мокрому снегу (месиво!). Собаки имеют среднюю массу 19,0 кг, а загруженные сани с всадником имеют массу 210 кг. (a) Рассчитайте величину ускорения, начиная с состояния покоя, если каждая собака прикладывает к снегу среднюю силу 185 Н, направленную назад. (b) Какова величина ускорения, когда сани начинают двигаться? (c) Для обеих ситуаций рассчитайте величину силы в сцепке между собаками и санями.
7. . Рассмотрим фигуриста массой 65,0 кг, которого толкают два других фигуриста, показанных на рис. 6. (a) Найдите направление и величину [латекса]{\mathbf{F}}_{\text{tot}}\\[/latex ], общая сила, действующая на нее со стороны других, учитывая, что величины [латекс]{F}_{1}\\[/латекс] и [латекс]{F}_{2}\\[/латекс] равны 26,4 Н и 18,6 Н соответственно; (b) Каково ее начальное ускорение, если она изначально неподвижна и носит коньки со стальными лезвиями, направленные в направлении [латекс]{\mathbf{F}}_{\text{tot}}\\[/латекс]? (c) Каково ее ускорение, если предположить, что она уже движется в направлении [латекс]{\mathbf{F}}_{\text{tot}}\\[/латекс]? (Помните, что трение всегда действует в направлении, противоположном движению или попытке движения между соприкасающимися поверхностями.)

   Рисунок 6.

8. Покажите, что ускорение любого объекта на склоне без трения, образующем с горизонтом угол θ , равно a = g sin θ . (Обратите внимание, что это ускорение не зависит от массы. )
9. Покажите, что ускорение любого объекта на склоне, где трение ведет себя просто (то есть, где f _k = μ _k N ) равно a = g (sin θ − μ _k cos θ ). Заметим, что ускорение не зависит от массы и сводится к выражению из предыдущей задачи, когда трение становится пренебрежимо малым ( μ _k =0).
10. Рассчитайте замедление сноубордиста, поднимающегося по склону 5,0º, исходя из коэффициента трения вощеной древесины по мокрому снегу. Ответ на вопрос 9 может быть полезен, но будьте осторожны, принимая во внимание тот факт, что сноубордист движется в гору. Подробно покажите, как вы выполняете шаги, описанные в Стратегии решения проблем.
11. (a) Рассчитайте ускорение лыжника, спускающегося по склону с углом наклона 10,0º, исходя из коэффициента трения вощеного дерева по мокрому снегу. б) Найдите угол склона, под которым этот лыжник мог бы двигаться с постоянной скоростью. {-1}\му _{\текст{с}}\\[/латекс]. Вы можете использовать результат предыдущей задачи. Предположим, что a = 0 и что статическое трение достигло своего максимального значения.
12. Рассчитайте максимальное замедление автомобиля, движущегося по уклону 6 градусов (составляющему угол 6 градусов с горизонтом) при следующих дорожных условиях. Вы можете предположить, что вес автомобиля равномерно распределяется на все четыре шины и что учитывается коэффициент статического трения, то есть шины не могут проскальзывать во время замедления. (Качение не учитывать.) Рассчитайте для автомобиля: (а) на сухом бетоне; (б) На мокром бетоне; (c) На льду, предполагая, что [латекс]{\mu }_{\текст{s}}=0,100\\[/латекс], так же, как и для обуви на льду.
13. Рассчитайте максимальное ускорение автомобиля, движущегося вверх по склону 4 градуса (составляющему угол 4 градуса с горизонтом) при следующих дорожных условиях. Предположим, что только половина веса автомобиля приходится на два ведущих колеса и что учитывается коэффициент статического трения, то есть шины не могут проскальзывать во время ускорения. (Не обращайте внимания на прокатку.) (a) На сухом бетоне; (b) на мокром бетоне; (c) На льду, предполагая, что [латекс]\mu _{\text{s}}=0,100\\[/латекс], то же, что и для обуви на льду. 9{5}N\\[/latex], если предположить, что двигатели действуют одинаково? Это не большая сила трения для такой массивной системы. Трение качения поездов невелико, и, следовательно, поезда являются очень энергоэффективными транспортными системами. (b) Какова величина силы в сцеплении между 37-й и 38-й тележками (это сила, с которой каждая из машин действует на другую), если предположить, что все машины имеют одинаковую массу и что трение равномерно распределено между всеми машинами и двигатели?
14. Рассмотрим альпиниста массой 52,0 кг на рис. 7. (a) Найдите натяжение веревки и силу, которую альпинист должен прикладывать ногами к вертикальной скале, чтобы оставаться неподвижным. Предположим, что сила приложена параллельно ее ногам. Кроме того, предположим, что сила, прилагаемая ее руками, незначительна; б) Каков минимальный коэффициент трения между ее туфлями и скалой?

    Рис. 7. Часть веса альпиниста приходится на веревку, а часть — на трение между ногами и скалой.

15. Участник зимних спортивных соревнований толкает глыбу льда весом 45,0 кг по замерзшему озеру, как показано на рис. 8а. (a) Вычислите минимальную силу F, которую он должен приложить, чтобы сдвинуть блок с места; б) Чему равно его ускорение после того, как оно начнет двигаться, если эта сила сохраняется?

    Рис. 8. Какой способ скольжения глыбы льда требует меньшего усилия — (а) толкать или (б) тянуть под одинаковым углом над горизонталью?

16. Повторите вопрос 18 с участником, который тянет блок льда с веревкой через плечо под тем же углом над горизонталью, как показано на рисунке 8b.

Глоссарий

трение:  сила, противодействующая относительному движению или попыткам движения между контактирующими системами

кинетическое трение:  сила, противодействующая движению двух систем, находящихся в контакте и движущихся относительно друг друга

статическое трение:  сила, противодействующая движению двух систем, находящихся в контакте и не движущихся относительно друг друга

величина трения покоя:  [латекс]{f}_{\text{s}}\le {\mu }_{\text{s}}N\\[/latex] , где [latex]{\mu }_{\text{s}}\\[/latex] — коэффициент статического трения, а N — величина нормальной силы

величина кинетического трения:  [латекс]{f}_{\text{k}}={\mu }_{\text{k}}N\\[/latex], где [ латекс] {\ mu } _ {\ text {k}} \\ [/latex] — коэффициент кинетического трения

Избранные решения задач и упражнений

1. 5,00 Н

4. (a) 588 Н; (б) 1,96 м/с ²

6. (а) 3,29 м/с ² ; (б) 3,52 м/с ² ; (в) 980 Н, 945 Н

10. 1,83 м/с ²

14. (а) 4,20 м/с ² ; (б) 2,74 м/с ² ; (в) –0.195 м/с ²

16. (а) 1.03 × 106 Н; (б) 3,48 × 105 Н

18. (а) 51,0 Н; (b) 0,720 м/с ²

Видео с вопросами: Определение эффектов трения для автомобиля, движущегося по кругу

Стенограмма видео

Автомобиль массой 360 кг движется с постоянной скоростью по круговой траектории вокруг плоской кольцевой развязки. Радиус кольцевой развязки составляет 12 метров. Автомобилю требуется время 28 секунд, чтобы полностью объехать кольцевую развязку. Чему равна сила трения между колесами автомобиля и поверхностью дороги? Дайте ответ с точностью до ньютона. Чему равен коэффициент трения покоя колес автомобиля о поверхность дороги? Используйте значение 90,8 метра в секунду в квадрате для ускорения свободного падения. Дайте ответ с точностью до трех знаков после запятой.

Мы рассмотрим части нашего вопроса по порядку, начиная с той части, где мы хотим найти силу трения между колесами автомобиля и поверхностью дороги. Предположим, что это наша круговая развязка с радиусом, который мы обозначим 𝑟, а автомобиль с массой, которую мы обозначим 𝑚, едет по ней. По мере движения автомобиля на него действует сила, направленная к центру кольцевой развязки. Мы называем это центростремительной силой, действующей на автомобиль. В форме уравнения центростремительная сила, действующая на объект с массой 𝑚, движущийся по окружности радиуса 𝑟, равна 𝑚, умноженной на 𝑟, умноженной на угловую скорость 𝜔 этого объекта в квадрате.

Важное замечание о центростремительных силах заключается в том, что они всегда имеют физические причины. Центростремительная сила, действующая на объект, — это просто сила, с которой объект сталкивается, толкая его к центру дуги окружности. Для нашего автомобиля причина, по которой он испытывает такую ​​силу, связана с трением. В частности, это трение между шинами автомобиля и поверхностью дороги. Эта сила трения на автомобиле, которую мы назовем 𝐹 sub f, является поиском центра. То есть сила трения — это сила, толкающая автомобиль к центру кольцевой развязки. Без силы трения, действующей на автомобиль, он не мог бы следовать по этому круговому пути.

Мы хотим найти силу трения. А по нашему уравнению для центростремительной силы мы знаем, что она равна массе автомобиля, умноженной на радиус кольцевой развязки, умноженной на угловую скорость автомобиля при его движении в квадрате. Немного упрощая наше выражение, мы знаем массу автомобиля, и нам дан радиус кругового движения. Однако мы еще не знаем угловую скорость автомобиля при его движении. Можно вспомнить, что в общем случае угловая скорость 𝜔 равна изменению углового положения 𝛥𝜃, деленному на изменение во времени 𝛥𝑡.

Теперь давайте представим, что мы следуем за нашей машиной, когда она делает один полный оборот по кольцевой развязке. В этом случае мы бы сказали, что изменение углового положения автомобиля составляет два 𝜋 радиана. А затем, в нашей постановке задачи, нам говорят, что машине требуется 28 секунд, чтобы сделать один полный оборот. Итак, два 𝜋 радиана, разделенные на 28 секунд, равны угловой скорости этого автомобиля 𝜔.

Немного упростив эту дробь, если мы разделим числитель и знаменатель на два, мы получим 𝜋 радиан за 14 секунд. Это значение для 𝜔, которое мы можем использовать, чтобы подставить в наше уравнение для силы трения. Масса нашего автомобиля 360 килограммов. Радиус кольцевой развязки составляет 12 метров. А 𝜔 равно 𝜋 радианам за 14 секунд. С точки зрения единиц здесь, радианы безразмерны. Итак, общие единицы, которые у нас есть, это килограммы, умноженные на метры в секунду в квадрате. Тогда они равны единицам ньютонов. Когда мы вычислим это выражение и округлим результат до ближайшего ньютона, мы получим 218 ньютонов. Это сила трения между колесами автомобиля и поверхностью дороги.

Давайте теперь рассмотрим вторую часть нашего вопроса: каков коэффициент статического трения колес автомобиля о поверхность дороги? Используйте значение 9,8 метра в секунду в квадрате для ускорения свободного падения. Дайте ответ с точностью до трех знаков после запятой.

Рассматривая автомобиль сбоку, когда он движется, мы знаем, что существует сила трения между поверхностью дороги и шинами автомобиля. Несмотря на то, что шины автомобиля вращаются, это сила статического трения, если автомобиль не скользит и не скользит по поверхности дороги.

Если это так, то величина силы трения зависит от так называемого коэффициента статического трения между колесами автомобиля и поверхностью дороги. В общем, сила трения 𝐹 sub f на каком-либо объекте равна коэффициенту трения, представленному греческой буквой 𝜇, умноженному на то, что иногда называют нормальной силой, а иногда называют силой реакции на этот объект. Для нашего автомобиля на этой плоской кольцевой развязке эта нормальная или реактивная сила действует прямо вверх, и она равна и противоположна силе веса, действующей на автомобиль, масса автомобиля умножается на ускорение свободного падения.

Тогда для нашего сценария мы можем написать, что сила трения, действующая на автомобиль, равна коэффициенту статического трения, поэтому здесь стоит индекс s у 𝜇, умноженный на нормальную силу, действующую на автомобиль, которая по величине равна масса автомобиля раз 𝑔. Поскольку здесь мы хотим решить коэффициент статического трения, мы можем изменить это уравнение, разделив обе части на 𝑚 умножить на 𝑔, чтобы сделать это. В правой части множители 𝑚 и 𝑔 сокращаются из числителя и знаменателя. Коэффициент статического трения равен силе трения автомобиля, деленной на его массу, умноженной на ускорение свободного падения.

Мы либо решили, либо получили все эти значения. Мы нашли силу трения 𝐹 sub f равной 218 ньютонам. Масса автомобиля составляет 360 килограммов. А 𝑔, как нам говорят, составляет 9,8 метра в секунду в квадрате. Округлив это значение до трех знаков после запятой, получим результат 0,062. Обратите внимание, что в этом ответе нет единиц. Это потому, что ньютон, единица измерения в нашем числителе, равен килограмму на метр в секунду в квадрате. Это идеально соответствует единицам в нашем знаменателе, поэтому все единицы исключаются из нашего выражения. Действительно, всегда бывает так, что при вычислении коэффициента трения результат безразмерен.