Номер 5, страница 116 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Обсудить в классе. Параграф 36. Силы трения. Глава 3. Силы в механике - номер 5, страница 116.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Измерение силы трения качения

Для выполнения первой части эксперимента необходимо прикрепить динамометр к оси небольшого колеса. Затем следует равномерно и прямолинейно катить колесо по горизонтальной поверхности, например, по столу, удерживая динамометр параллельно этой поверхности. При равномерном движении (когда скорость постоянна) сила тяги, которую показывает динамометр, уравновешивает силу сопротивления движению. В данном случае силой сопротивления является сила трения качения. Таким образом, показание динамометра $F_1$ будет равно по модулю силе трения качения $F_{кач}$:

$F_1 = F_{кач}$

Ответ: При равномерном качении колеса динамометр измерит силу, равную по модулю силе трения качения.

Измерение силы трения скольжения

Во второй части эксперимента колесо необходимо заблокировать, чтобы оно не могло вращаться вокруг своей оси. Затем, как и в первом случае, нужно тянуть заблокированное колесо с помощью динамометра по той же горизонтальной поверхности с постоянной скоростью. Теперь колесо будет не катиться, а скользить по поверхности. Силой сопротивления движению в этом случае является сила трения скольжения. При равномерном движении показание динамометра $F_2$ будет равно по модулю силе трения скольжения $F_{ск}$:

$F_2 = F_{ск}$

Ответ: При равномерном скольжении заблокированного колеса динамометр измерит силу, равную по модулю силе трения скольжения.

Сравнение полученных результатов

Сравнив показания динамометра, полученные в ходе двух экспериментов ($F_1$ и $F_2$), мы обнаружим, что второе значение значительно больше первого: $F_2 \gg F_1$. Это означает, что сила трения скольжения намного превышает силу трения качения для одного и того же тела на одной и той же поверхности.

Это фундаментальное физическое явление объясняется различием в механизмах возникновения этих сил. Трение скольжения, описываемое формулой $F_{ск} = \mu N$ (где $\mu$ — коэффициент трения скольжения, а $N$ — сила нормальной реакции опоры), возникает из-за зацепления микронеровностей контактирующих поверхностей и сил межмолекулярного притяжения между ними. Преодоление этих взаимодействий по всей площади контакта требует значительного усилия.

В свою очередь, трение качения, которое можно рассчитать как $F_{кач} = k \frac{N}{R}$ (где $k$ — коэффициент трения качения, а $R$ — радиус колеса), возникает главным образом из-за деформации колеса и опорной поверхности. При движении колесо постоянно "наезжает" на небольшой бугорок перед собой, который образуется из-за деформации. Энергия, затрачиваемая на эту непрерывную деформацию, и определяет силу трения качения. Для большинства материалов и условий эта сила оказывается существенно меньше, чем сила трения скольжения. Именно поэтому использование колес так эффективно снижает сопротивление движению и является одним из величайших изобретений человечества.

Ответ: Экспериментально будет установлено, что сила трения качения ($F_1$), измеренная в первом опыте, значительно меньше силы трения скольжения ($F_2$), измеренной во втором опыте.