МБОУ «Брянский Городской Лицей №1 им. »
Исследовательская работа по физике на тему:
« Силы в механике: сила тяжести и сила трения»
Автор: ученицы 10 академического класса №2
Бочкова Ангелина и Марченко Юлия
Научный руководитель:
Брянск 2014 г.
Введение
Данную тему исследовательской работы мы выбрали не случайно. По нашему мнению, механика – это один из самых интереснейших разделов в физике. Можно сказать, механика окружает нас всюду, ведь механика – это раздел физики раздел физики, наука, изучающая движение материальных тел и взаимодействие между ними.
Целью нашей исследовательской работы стало изучение сил в механике, силу трения и силу тяжести.
Задачами нашей работы стали:
1) изучить силы трения (их роль, силы сопротивления при движении твердых тел)
2)изучить силу тяжести
3)получить новую информацию о двух данных силах
Наша гипотеза: Опытным путем доказать или опровергнуть суждение о том, что сила тяжести зависит от массы тела, а сила трения зависит от рода вещества.
Физика – экспериментальная наука ее законы базируются на фактах, установленных опытным путем. Именно на основе экспериментальных наблюдений строятся различные физические теории. По этой причине, при исследовании поставленной темы, мы будем проводить различные опыты.
На протяжении всей исследовательской работы мы расскажем интересные факты, как и о самой механике , так и о людях, которые формировали эту чудеснейшую область физики.( Ньютон, Гук и другие).
Как мы уже сказали выше, механика – это наука о простейшей форме движении
материи – механическом движении, представляющем изменение с течением
времени пространственного расположения тел, и о связанных с движением тел
взаимодействиях между ними. Механика исследует общие закономерности,
связывающие механические движения и взаимодействия, принимая для самих
взаимодействий законы, полученные опытным путем и обосновываемые в физике.
Методы механики широко используются в различных областях естествознания и
техники.
Что такое сила? Силы в природе.
Сила – это векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности на данное тело других тел, а также полей. Приложенная к массивному телу сила является причиной изменения его скорости или возникновения в нем деформаций и напряжений. Сила как векторная величина характеризуется модулем, направлением и «точкой» приложения силы.
Теперь нам необходимо выяснить много ли сил существует в природе. Так, на первый взгляд кажется, что, на самом деле, это непосильная задача подсчитать сил в природе. Ведь тел столько много, все они взаимодействуют по –разному. Например, локомотив тянет прицепной состав, баскетболист ударяет мяч по земле, проводник с током проворачивает стрелку компаса… и так далее. Перечислять можно до бесконечности, но в природе оказывается существует только четыре типа сил. Какие? Сейчас мы с вами и узнаем.
Четыре типа сил: 1) гравитационные силы, или по-другому, силы всемирного тяготения – все тела притягиваются друг к другу. Но это притяжение существует только тогда, когда хотя бы одно из взаимодействующих тел так же велико, как Земля или Луна.
2) Электромагнитные силы, они действуют между частицами, имеющие электрические заряды. Сфера их взаимодействия разнообразна: в атомах, молекулах, твердых, жидких и газообразных телах и так далее.
3) Ядерные силы, область их действия достаточно ограничена. Они заметны только внутри атомных ядер.
4) Слабые взаимодействия проявляются на еще меньших расстояниях, порядка 10^-15 см. Они вызывают взаимные превращения элементарных частиц, определяют радиоактивный распад ядер, реакции термоядерного синтеза.
Но так как основная цель нашей исследовательской работы – изучить силы в механике, то нужно сказать, что в этом разделе физики имеют дело лишь с тремя видами сил – силами трения, силами упругости и силами тяготения. Интересно то, что силы упругости и трения имеют электромагнитную природу.
Сила тяжести
Частным, но крайне важным для нас видом силы всемирного тяготения является сила притяжения тел к Земле. Эту силу называют силой тяжести. Согласно закону всемирного тяготения, она выражается формулой
Fт =GmM (R+h) 2 , (1)
где m – масса тела, М – масса Земли, R – радиус Земли, h – высота тела над поверхностью Земли. Сила тяжести направлена вертикально вниз, к центру Земли.
Более точно, помимо этой силы, в системе отсчета, связанной с Землей, на тело действует центробежная сила инерции F ⃗ c , которая возникает из-за суточного вращения Земли, и равна F c =m⋅ω 2 ⋅r , где m – масса тела; r – расстояние между телом и земной осью. Если высота тела над поверхностью Земли мала по сравнению с ее радиусом, то r=Rcosφ , где R – радиус Земли, φ – географическая широта, на которой находится тело (рис.1). С учетом этого F c =m⋅ω 2 ⋅Rcosφ .
рис.1.
Силой тяжести называется сила, действующая на любое находящееся вблизи земной поверхности тело.
Она определяется как геометрическая сумма действующей на тело силы гравитационного притяжения к Земле F ⃗g и центробежной силы инерции F ⃗c , учитывающей эффект суточного вращения Земли вокруг собственной оси, т. е. F ⃗ T =F ⃗ g +F ⃗c . Направление силы тяжести является направлением вертикали в данном пункте земной поверхности. Но величина центробежной силы инерции очень мала по сравнению с силой притяжения Земли (их отношение составляет примерно 3∙10-3), то обычно силой F ⃗ c пренебрегают. Тогда F ⃗ т ≈F ⃗ g .
Ускорение свободного падения
Сила тяжести сообщает телу ускорение, называемое ускорением свободного падения. В соответствии со вторым законом Ньютона
g ⃗ =F ⃗ T m
С учетом выражения (1) для модуля ускорения свободного падения будем иметь
g h =GM (R+h) 2 (2)
На поверхности Земли (h = 0) модуль ускорения свободного падения равен
g=GMR2 ,
а сила тяжести равна
F ⃗ T =mg ⃗ .
Модуль ускорения свободного падения, входящего в формулы, равен приближенно 9,8 м/с2.
Из формулы (2) видно, что ускорение свободного падения не зависит от массы тела. Оно уменьшается при подъеме тела над поверхностью Земли: ускорение свободного падения обратно пропорционально квадрату расстояния тела от центра Земли. И все же у поверхности Земли ускорение свободного падения не везде одинаково. Оно зависит от географической широты: больше на полюсах Земли, чем на экваторе. Дело в том, что земной шар несколько сплюснут у полюсов. Экваториальный радиус Земли больше полярного на 21 км.
Сила трения
Трение — процесс взаимодействия тел при их относительном движении (смещении) либо при движении тела в газообразной или жидкой среде. По-другому называется фрикционным взаимодействием (англ. friction). Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется механикой фрикционного взаимодействия, или трибологией.
Трение главным образом имеет электронную природу при условии, что вещество находится в нормальном состоянии. В сверхпроводящем состоянии вдалеке от критической температуры основным «источником» трения являются фононы, а коэффициент трения может уменьшиться в несколько раз.
Сила трения — это сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их относительному движению. Причины возникновения силы трения:
1) Шероховатость соприкасающихся поверхностей.
2) Взаимное притяжение молекул этих поверхностей.
Принято, что сила трения прямо пропорциональна силе нормальной реакции (N) т. е. зависит от того, насколько сильно тела прижаты друг к другу и от их материала.
3. Виды
При наличии относительного движения двух контактирующих тел силы трения, возникающие при их взаимодействии, можно подразделить на:
· Трение скольжения — сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения.
· Трение качения — момент сил, возникающий при качении одного из двух контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого.
· Трение покоя — сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга. Возникает при микроперемещениях (например, при деформации) контактирующих тел. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного относительного движения.
Если тело скользит по какой-либо поверхности, его движению препятствует сила трения скольжения.
, где N — сила реакции опоры, a μ — коэффициент трения скольжения. Коэффициент μ зависит от материала и качества обработки соприкасающихся поверхностей и не зависит от веса тела. Коэффициент трения определяется опытным путем. (рис.2)
рис.2
Сила трения скольжения всегда направлена противоположно движению тела. При изменении направления скорости изменяется и направление силы трения.
Сила трения начинает действовать на тело, когда его пытаются сдвинуть с места. Если внешняя сила F меньше произведения μN, то тело не будет сдвигаться — началу движения, как принято говорить, мешает сила трения покоя. Тело начнет движение только тогда, когда внешняя сила F превысит максимальное значение, которое может иметь сила трения покоя 
Трение покоя – сила трения, препятствующая возникновению движению одного тела по поверхности другого. В некоторых случаях трение полезно (без трения невозможно было бы ходить по земле человеку, животным, двигаться автомобилям, поездам и т. д.), в таких случаях трение усиливают. Но в других случаях трение вредно. Например, из-за него изнашиваются трущиеся детали механизмов, расходуется лишнее горючее на транспорте и т. д. Тогда с трением борются, применяя смазку («жидкостную или воздушную подушку») или заменяя скольжение на качение (поскольку трение качения характеризуется значительно меньшими силами, нежели трение скольжения). Силы трения, в отличие от гравитационных сил и сил упругости, не зависят от координат относительного расположения тел, они могут зависеть от скорости относительного движения соприкасающихся тел. Силы трения являются непотенциальными силами.
В физике взаимодействия трение принято разделять на:
· сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками (в том числе и твердыми смазочными материалами) — очень редко встречающийся на практике случай. Характерная отличительная черта сухого трения — наличие значительной силы трения покоя;
· граничное, когда в области контакта могут содержаться слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и так далее) — наиболее распространённый случай при трении скольжения.
· смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
· жидкостное (вязкое), при взаимодействии тел, разделённых слоем твёрдого тела (порошком графита), жидкости или газа (смазки) различной толщины — как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость, величина вязкого трения характеризуется вязкостью среды;
· эластогидродинамическое (вязкоупругое), когда решающее значение имеет внутреннее трение в смазывающем материале. Возникает при увеличении относительных скоростей перемещения.
В связи со сложностью физико-химических процессов, протекающих в зоне фрикционного взаимодействия, процессы трения принципиально не поддаются описанию с помощью методов классической механики.
4. Трение в механизмах и машинах
В большинстве традиционных механизмов (ДВС, автомобили, зубчатые шестерни и пр.) трение играет отрицательную роль, уменьшая КПД механизма. Для уменьшения силы трения используются различные натуральные и синтетические масла и смазки. В современных механизмах для этой цели используется также напыление покрытий (тонких плёнок) на детали. С миниатюризацией механизмов и созданием микроэлектромеханических систем (МЭМС) и наноэлектромеханических систем (НЭМС) величина трения по сравнению с действующими в механизме силами увеличивается и становится весьма значительной 
, и при этом не может быть уменьшена с помощью обычных смазок, что вызывает значительный теоретический и практический интерес инженеров и учёных к данной области. Для решения проблемы трения создаются новые методы его снижения в рамках трибологии и науки о поверхности (англ.).
5. Сцепление с поверхностью
Наличие трения обеспечивает возможность перемещаться по поверхности. Так, при ходьбе именно за счёт трения происходит сцепление подошвы с полом, в результате чего происходит отталкивание от пола и движение вперёд. Точно так же обеспечивается сцепление колёс автомобиля (мотоцикла) с поверхностью дороги. В частности, для увеличения улучшения этого сцепления разрабатываются новые формы и специальные типы резины для покрышек, а на гоночные болиды устанавливаются антикрылья, сильнее прижимающие машину к трассе.
Наше исследование
1)Сила тяжести.
Цель: выяснить экспериментальным путем, от чего зависит сила тяжести.
Для проведения нашего эксперимента мы из куска оргалита лобзиком вырезали диск диаметром 10 см. По размерам данного диска мы вырезали кружок из бумаги. После чего мы взяли вырезанные материалы в руки и подняли руки на уровне груди ( важно, чтобы две руки были примерно, с небольшой погрешностью, на одной высоте от земли, в данном случае пола). После чего мы предоставили возможность двум данным телам свободно падать с одной и той же высоты. Эксперимент показал, что диск, вырезанный из оргалита, падал быстрее бумажного. Но почему это произошло? Ответ, на самом деле, достаточно прост: на каждое из этих двух тел действуют две силы – сила тяжести и сила сопротивления воздуха. В начале движения равнодействующая этих сил, направленная вниз, больше для диска из оргалита, поэтому он будет двигаться с большим ускорением. Но с увеличением скорости сила сопротивления воздуха увеличивается и становится равной силе тяжести. Таким образом, получается, что оба диска движутся равномерно, но оргалитный диск - с большей скоростью.
После этого мы взяли бумажный диск и положили его на оргалитный. Дали этим телам свободно падать. Но, как показал опыт, эти тела падают равномерно. Это происходит, потому что сопротивление воздуха преодолевает только металлический диск, а сила тяжести сообщает обоим телам равные ускорения, которые не зависят от массы.
Таким образом, опыт помог нам выяснить, что сила тяжести зависит от веса тела.
2) Сила трения.
Цель: выяснить от чего зависит сила трения
Чтобы исследовать силу трения, мы проделали опыт с бутылкой, горлышко которой ровное (без венчика). Для того чтобы увеличить массу бутыли мы наполнили ее водой. После чего приготовили мыльный раствор (мыло опустили в воду на 5 минут), смочили в нем пальцы одной руки(руки стали мыльными). Мы попытались кончиками пальцев взять за горлышко бутыль и перенести ее, но у нас ничего не получилось, бутыль выскальзывала. Но почему? Ответ заключается в том, что сила трения скольжения большая, так руки были предварительно смочены мыльным раствором. Теперь вымоем руки, возьмем бутылку кончиками пальцев. Интересно: мы уже можем удержать бутылку, так как сила трения значительно уменьшилась, так как теперь нет смазки. Из опыта можно сделать вывод, что трение зависит от рода трущихся предметов (веществ), от смазки, от силы давления на поверхность.
Заключение
В заключение хотелось бы подвести некоторые итоги. Итак, на протяжении всей исследовательской работы мы изучали силы в механике, силу тяжести.
Сила тяжести – сила, с которой тело притягивается к Земле под действием поля тяготения Земли. Вес тела – это сила, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на опору или подвес. Сила трения – сила, возникающая при относительном движении твердых тел и противодействующая этому движению.
Также нужно сказать, что все вышепоставленные задачи и цели выполнены. Гипотеза доказана. Мы изучили силу упругости, силы трения. По нашему мнению, это тема очень популярна и важна в наши дни, так как и с силой притяжения, и силой тяжести мы встречаемся каждый день, даже можно сказать каждую минуту нашей жизни.
Список литературы
1) Учебник по физике 10 класс, ,
2) Сайт: http://ru. wikipedia. org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%BB%D0%B0
3) zhenie-pervyy-zakon-nyutona. html
4) Сайт: http://physics. *****/index. php? id=143&option=com_content&view=article
5) Сайт: http://*****/page. php? id=116
6) Сайт: http://*****/gravitacia. html
7) Сайт: http://www. *****/person/525/
8)Сайт:http://ru. wikipedia. org/wiki/%D0%93%D1%83%D0%BA,_%D0%A0%D0%BE%D0%B1%D0%B5%D1%80%D1%82
9) Книга по механике ( )
10) Книга « Новейший курс по физике» ( 7-11 классы)
Приложение
Исследование 1
Исследование 2
