Сила трения. так чтобы можно было объяснить на доске с рисунками
Краткий ответ
Сила трения возникает при соприкосновении тел и мешает их относительному движению или попытке сдвинуть тело. Она направлена вдоль поверхности — против относительного движения. Для скольжения в школьной модели:
\[ F_{\text{тр}}=\mu N, \]
а если тело на горизонтальной поверхности и других вертикальных сил нет:
\[ N=mg,\qquad F_{\text{тр}}=\mu mg. \]
\(\mu\) — коэффициент трения, он безразмерный.
Что нарисовать на доске
Рисунок 1. Брусок тянут по столу
Нарисуй стол горизонтальной линией, сверху брусок. Из бруска покажи стрелки:
- \( \vec v \) — скорость бруска вправо;
- \( \vec F_{\text{тр}} \) — сила трения влево, у поверхности соприкосновения;
- \( \vec N \) — сила нормальной реакции опоры вверх;
- \( m\vec g \) — сила тяжести вниз;
- \( \vec F \) — сила тяги вправо.
Схемой:
\[ \vec F \rightarrow \boxed{\text{брусок}} \rightarrow \vec v, \qquad \vec F_{\text{тр}} \leftarrow \]
Подпиши: «Трение действует в точке контакта и направлено против относительного движения».
Рисунок 2. Трение покоя
Брусок стоит, его толкают, но он не движется:
\[ \vec F \rightarrow \boxed{\text{брусок}} \qquad \vec F_{\text{тр.пок}} \leftarrow \]
Здесь силы уравновешены:
\[ F_{\text{тр.пок}}=F. \]
Но трение покоя может расти только до предела:
\[ F_{\text{тр.пок}}^{\max}=\mu N. \]
После этого тело начинает скользить.
Рисунок 3. Виды трения
Нарисуй три картинки:
- ящик тянут — трение скольжения;
- колесо катится — трение качения;
- ящик толкают, но он стоит — трение покоя.
Подпиши: обычно трение качения меньше трения скольжения, поэтому тележку на колёсах везти легче, чем тащить.
Как объяснить принцип
Причина трения — неровности поверхностей цепляются друг за друга, а молекулы веществ в местах контакта взаимодействуют. Поэтому даже гладкие поверхности «липнут».
Направление. Сила трения направлена вдоль поверхности. Для скольжения — против скорости движения тела. Для трения покоя — против той силы, которая пытается сдвинуть тело.
Величина. Для скольжения:
\[ F_{\text{тр}}=\mu N. \]
\(N\) — это не вес, а сила нормальной реакции опоры. На горизонтальном столе без дополнительного давления \(N=mg\). Если тело прижимают сверху, \(N\) больше.
От чего зависит. От материала поверхностей и их состояния, от силы давления \(N\). В школьной модели трение скольжения практически не зависит от площади соприкосновения и от скорости.
Проверка на опыте. Прикрепи динамометр к бруску и тяни его равномерно. При равномерном движении равнодействующая равна нулю, значит, показание динамометра равно силе трения:
\[ F_{\text{тяги}}=F_{\text{тр}}. \]
Потом положи на брусок груз — \(N\) увеличится, сила трения тоже. Можно вычислить:
\[ \mu=\frac{F_{\text{тр}}}{N}. \]
Пример для доски
Брусок массой \(m=2\) кг тянут по горизонтальному столу, \(\mu=0{,}3\), \(g=10\) Н/кг.
\[ N=mg=2\cdot 10=20\ \text{Н}, \]
\[ F_{\text{тр}}=\mu N=0{,}3\cdot 20=6\ \text{Н}. \]
Проверка: размерность верная: \(\mu\) без размерности, \(N\) в ньютонах, значит, сила в ньютонах. Если толкать брусок силой \(4\) Н, он не сдвинется: трение покоя будет \(4\) Н. Если сила достигнет \(6\) Н, начнётся скольжение.
Главная ошибка, которую стоит предупредить: при равномерном движении сила тяги не «побеждает» трение, а равна ему, потому что силы уравновешены.
