"Физика", Перышкин А.В.
Силу трения скольжения можно измерить динамометром — прибором со шкалой, показывающей силу. Для опыта брусок тянут по горизонтальной поверхности и следят за показаниями. Если брусок движется равномерно, сила тяги уравновешивает силу трения, поэтому показание прибора равно её значению. Измерения помогают выяснить, как трение зависит от нагрузки и свойств соприкасающихся поверхностей.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сила трения — сила, возникающая при соприкосновении тел и препятствующая их относительному движению. Она направлена против движения одной поверхности относительно другой: например, при скольжении бруска вперёд трение действует на него назад. Это направление нужно учитывать, чтобы правильно объяснить, почему тело замедляется или почему его приходится тянуть.
Сила трения скольжения действует на тело, которое скользит по поверхности другого тела. Например, она возникает, когда брусок перемещают по столу. Выделяют этот вид трения, чтобы отличать его от трения покоя, которое возникает, когда поверхности не скользят друг относительно друга.
Динамометр — прибор для измерения силы. Внутри прибора есть упругая часть, которая растягивается или сжимается, а значение силы считывают по шкале. В опыте динамометр показывает силу, с которой тянут брусок, и помогает сравнить силу трения в разных условиях.
Сила нормального давления — сила, с которой тело давит на опору перпендикулярно её поверхности. Например, лежащий на столе брусок давит на стол вниз, а стол действует на брусок в ответ. Если на брусок положить груз, нагрузка на опору возрастёт; это нужно учитывать, проверяя влияние нагрузки на трение.
Чтобы измерить силу трения скольжения, к бруску прикрепляют динамометр и тянут брусок вдоль поверхности. Прибор должен тянуть его горизонтально, иначе появится дополнительное действие вверх или вниз и условия опыта изменятся. Во время движения следят за шкалой: для измерения выбирают показание, соответствующее равномерному скольжению, а не моменту рывка или разгона.
При равномерном движении скорость бруска не меняется, поэтому силы, действующие на него, уравновешены. По горизонтали сила тяги направлена в сторону движения, а сила трения — в противоположную сторону. Их равнодействующая равна нулю, значит, значения сил одинаковы; поэтому показание динамометра в таком опыте можно принять за силу трения.
Чтобы проверить влияние нагрузки, сначала измеряют силу трения для бруска без груза, а затем кладут на него один или несколько грузов. Дополнительная масса увеличивает давление бруска на опору, из-за чего обычно возрастает и сила трения скольжения. В обоих опытах нужно тянуть брусок равномерно и не менять поверхность: иначе нельзя будет понять, связано ли изменение показаний именно с нагрузкой.
Влияние материала и состояния поверхностей проверяют, перемещая один и тот же брусок по разным поверхностям. Можно, например, сравнить гладкую и шероховатую поверхность, сохраняя нагрузку и способ движения неизменными. Если показания отличаются, это показывает, что условия соприкосновения влияют на силу трения; сравнивать нужно именно результаты опытов с одинаковыми остальными условиями.
Измерения полезно проводить несколько раз, потому что показание может немного меняться из-за рывков, неточности считывания или неодинакового движения. Повторение помогает заметить случайное отклонение и оценить, насколько результат устойчив. Одинаковые условия делают сравнение честным: если одновременно изменить нагрузку и поверхность, нельзя определить, что именно повлияло на силу трения.
| Условие опыта | Что делают | Что показывает динамометр | Вывод |
|---|---|---|---|
| Брусок движется равномерно по поверхности | Тянут брусок горизонтально с постоянной скоростью | Силу тяги, равную силе трения | Показание можно принять за силу трения |
| На брусок добавляют груз | Кладут груз и снова тянут брусок равномерно | Силу тяги; при равномерном движении она равна трению | Сравнивают трение при разной нагрузке |
| Меняют материал или состояние соприкасающихся поверхностей | Перемещают тот же брусок по другой поверхности | Силу тяги при равномерном движении | Сравнивают влияние поверхностей на трение |
| Брусок движется неравномерно | Тянут брусок, но его скорость меняется | Силу тяги, которая не обязательно равна трению | По показанию нельзя напрямую определить силу трения |
Сначала найдите строку с нужным условием опыта, затем проверьте, что именно измеряет прибор. Для сравнения нагрузки или поверхностей обращайте внимание на вывод и сохраняйте остальные условия неизменными. Если брусок движется неравномерно, не приравнивайте показание динамометра к силе трения.
Задача 1. Брусок тянут динамометром по горизонтальному столу равномерно. Прибор показывает 1,2 Н. Найдите силу трения. Сначала определим, можно ли использовать показание напрямую: движение равномерное, а направление тяги горизонтальное. Значит, силы по горизонтали уравновешены.
Задача 2. Ненагруженный брусок движется равномерно, и динамометр показывает 0,8 Н. После того как на брусок положили груз, показание при равномерном движении стало 1,6 Н. Требуется сравнить силы трения. В обоих случаях условия позволяют считать показание равным силе трения, поэтому сравниваем именно эти значения.
Задача 3. Брусок равномерно тянут по двум поверхностям. На первой динамометр показывает 1,1 Н, на второй — 1,7 Н. Нужно определить, где трение больше и во сколько раз. Поскольку движение равномерное в обоих опытах, каждое показание равно силе трения для соответствующей поверхности.
Ошибка — считать показание динамометра силой трения при любом движении. Так думают, потому что прибор связан с бруском и показывает силу тяги, но равенство тяги и трения верно при равномерном движении по горизонтальной поверхности. Проверьте, меняется ли скорость бруска: если он разгоняется или замедляется, напрямую приравнивать силы нельзя.
Ошибка — тянуть брусок вверх или вниз вместо того, чтобы тянуть его вдоль поверхности. Можно решить, что направление неважно, но вертикальная составляющая тяги изменяет действие бруска на опору. Для проверки убедитесь, что динамометр расположен горизонтально, а брусок скользит по поверхности без приподнимания.
Ошибка — считать, что сила трения направлена по движению тела. Так бывает, если путают силу, которая тянет брусок, с силой, которая ему препятствует. Представьте, куда движется брусок относительно поверхности, и направьте силу трения противоположно этому движению.
Ошибка — менять в одном сравнении и нагрузку, и поверхность. Тогда даже при разных показаниях непонятно, какое изменение повлияло на результат. Проверяйте себя так: в серии опытов меняйте только одно условие, а все остальные, включая способ тяги, оставляйте одинаковыми.
Для работы с динамометром нужно знать, что такое сила и как её изображают направленным отрезком. Также пригодится умение считывать показания прибора и понимать единицу силы — ньютон. Эти знания позволяют не только получить число, но и правильно определить, к какой силе оно относится.
Измерение опирается на знания о равномерном движении и равновесии сил. Если скорость тела постоянна, действующие на него силы уравновешены, поэтому в этом опыте можно связать показание динамометра с силой трения. Это применение общего правила к конкретному движению бруска.
Понимание трения пригодится при изучении взаимодействия тел и движения по наклонной поверхности. Оно помогает объяснять, почему предметы замедляются, и разбираться, как трение уменьшают или увеличивают в быту и технике. Измерения дают возможность проверять такие выводы опытом.
Почему показание динамометра при равномерном движении равно силе трения?
При равномерном движении скорость бруска не меняется, значит, силы уравновешены. Сила тяги направлена вперёд, а сила трения — назад, поэтому их значения равны.
В каком направлении действует сила трения?
Сила трения направлена против относительного движения соприкасающихся поверхностей. Если брусок скользит вправо относительно стола, сила трения действует на него влево.
Как нагрузка на брусок влияет на силу трения?
При увеличении нагрузки брусок сильнее давит на опору, и сила трения скольжения обычно становится больше. Это можно проверить, сравнив показания динамометра при равномерном движении с грузом и без него.
Зависит ли сила трения от материала поверхностей?
Да, она зависит от материала и состояния соприкасающихся поверхностей. Например, гладкая и шероховатая поверхности могут давать разные показания при движении одного и того же бруска.
Почему в опыте важно тянуть брусок равномерно?
Только при равномерном движении сила тяги уравновешивает силу трения, поэтому показание динамометра можно принять за силу трения. При изменении скорости равнодействующая сил не равна нулю, и такое равенство использовать нельзя.
№7 Измерение силы трения с помощью динамометра
