Номер 5, страница 113 - гдз по физике 7 класс учебник Башарулы, Тезекеев

5. Как можно измерить силу трения? Какими формулами определял силу трения?

Как можно измерить силу трения?

Силу трения можно измерить несколькими способами, как прямыми, так и косвенными. Основные методы включают использование динамометра и наклонной плоскости.

1. Прямое измерение с помощью динамометра. Этот метод является наиболее распространенным в лабораторных условиях для измерения силы трения скольжения и максимальной силы трения покоя.

Для измерения силы трения скольжения: К телу, находящемуся на горизонтальной поверхности, прикрепляют динамометр. Затем тело начинают тянуть с помощью динамометра так, чтобы оно двигалось равномерно и прямолинейно (с постоянной скоростью). Согласно первому закону Ньютона, при равномерном движении сумма всех действующих на тело сил равна нулю. В горизонтальном направлении на тело действуют две силы: сила тяги $F_{тяги}$ со стороны динамометра и сила трения скольжения $F_{тр.ск}$, направленная в противоположную сторону. Так как их равнодействующая равна нулю, их модули равны: $F_{тяги} = F_{тр.ск}$. Таким образом, показания динамометра при равномерном движении тела будут равны модулю силы трения скольжения.

Для измерения максимальной силы трения покоя: Динамометр прикрепляют к покоящемуся телу и начинают очень медленно увеличивать силу тяги. Сила трения покоя будет расти вместе с силой тяги, уравновешивая ее. Максимальное значение, которое покажет динамометр в момент непосредственно перед началом движения тела, и будет равно максимальной силе трения покоя: $F_{тяги.макс} = F_{тр.покоя.макс}$.

2. Косвенное измерение с использованием наклонной плоскости. Этот метод часто используется для определения коэффициента трения, зная который, можно рассчитать и саму силу трения. Тело кладут на горизонтальную плоскость и медленно ее наклоняют, увеличивая угол наклона $\alpha$. Фиксируют тот угол $\alpha$, при котором тело начинает соскальзывать. В этот момент составляющая силы тяжести, направленная вдоль наклонной плоскости, $mg \sin(\alpha)$, становится равной максимальной силе трения покоя, $F_{тр.покоя.макс} = \mu_s N = \mu_s mg \cos(\alpha)$. Из равенства $mg \sin(\alpha) = \mu_s mg \cos(\alpha)$ находят коэффициент трения покоя: $\mu_s = \tan(\alpha)$. Зная коэффициент трения и силу нормальной реакции опоры, можно вычислить максимальную силу трения покоя.

Ответ: Силу трения можно измерить напрямую с помощью динамометра, заставляя тело двигаться равномерно (для силы трения скольжения) или фиксируя максимальное усилие перед началом движения (для силы трения покоя). Также коэффициент трения, а следовательно и силу трения, можно определить косвенно, используя наклонную плоскость и измеряя угол, при котором тело начинает скользить.

Какими формулами определяют силу трения?

Сила трения — это сложное явление, и для разных его видов (сухое трение, вязкое трение) существуют свои математические модели и формулы.

1. Сила трения скольжения. Возникает при скольжении одного твёрдого тела по поверхности другого. Она описывается законом Амонтона-Кулона:

$F_{тр.ск} = \mu N$

где $F_{тр.ск}$ — сила трения скольжения, $\mu$ — коэффициент трения скольжения (безразмерная величина, зависящая от материалов соприкасающихся поверхностей), $N$ — сила нормальной реакции опоры (сила, с которой опора действует на тело перпендикулярно поверхности).

2. Сила трения покоя. Препятствует началу движения. Ее величина равна по модулю и противоположна по направлению внешней силе, пытающейся сдвинуть тело. Сила трения покоя может изменяться от нуля до некоторого максимального значения:

$0 \le F_{тр.покоя} \le F_{тр.покоя.макс}$

Максимальная сила трения покоя рассчитывается по формуле:

$F_{тр.покоя.макс} = \mu_s N$

где $\mu_s$ — коэффициент трения покоя. Как правило, $\mu_s$ несколько больше коэффициента трения скольжения $\mu$.

3. Сила трения качения. Возникает, когда одно тело (например, колесо) катится по поверхности другого. Она обычно значительно меньше силы трения скольжения и определяется формулой:

$F_{тр.кач} = k \frac{N}{R}$

где $k$ — коэффициент трения качения (имеет размерность длины), $R$ — радиус катящегося тела, $N$ — сила нормальной реакции опоры.

4. Сила сопротивления среды (вязкое трение). Возникает при движении тела в жидкости или газе. Ее величина зависит от скорости тела, его формы и свойств среды.

- При малых скоростях (ламинарное течение) сила сопротивления пропорциональна скорости. Для тела сферической формы это закон Стокса: $F_{сопр} = 6 \pi \eta r v$, где $\eta$ — вязкость среды, $r$ — радиус шара, $v$ — скорость.

- При больших скоростях (турбулентное течение) сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости: $F_{сопр} = \frac{1}{2} C_d \rho S v^2$, где $C_d$ — коэффициент лобового сопротивления, $\rho$ — плотность среды, $S$ — площадь поперечного сечения тела.

Ответ: Основные формулы для определения силы трения:

- Сила трения скольжения: $F_{тр.ск} = \mu N$.

- Максимальная сила трения покоя: $F_{тр.покоя.макс} = \mu_s N$.

- Сила трения качения: $F_{тр.кач} = k \frac{N}{R}$.

- Сила сопротивления среды: зависит от скорости, $F \sim v$ при малых скоростях и $F \sim v^2$ при больших.