Сухое трение!, страница 156, часть 1 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 4. Силы вокруг нас. Параграф 42. Лабораторные и исследовательские работы. Практические работы-исследование - страница 156.

Условие.

СУХОЕ ТРЕНИЕ!

На уроке учитель физики объяснял учащимся особенности проявления сил сухого и вязкого (жидкого) трения и отметил, что вязкое трение существенно меньше сухого. В качестве иллюстрации он привёл пример движения автомобиля по скользкой дороге. Даже если дорога ровная, то опытные водители стараются по возможности избежать торможения. Как объяснил ребятам учитель, при торможении блокируются колёса, и в этой ситуации достаточно незначительного бокового воздействия на колёса, чтобы автомобиль ушёл в занос. Ученики Петя и Саша спросили, возможно ли подобное явление в случае сухого трения. Учитель ответил, что он как раз планировал поручить ребятам проверить это экспериментально. Проделайте и вы необходимые измерения.

Помощник

• В качестве оборудования вам потребуются брусок, набор разновесов, два динамометра, булавки, нить, линейка.

• С помощью булавок и нитей прикрепите к бруску два динамометра: один к торцу, другой к центру боковой грани.

• На столе закрепите лист плотной бумаги или картона. На листе с помощью карандаша и линейки проведите прямую линию, вдоль которой следует перемещать брусок.

• Посредством динамометра, прикреплённого к торцу, медленно и без рывков перемещайте брусок вдоль отмеченной линии.

• Зафиксируйте показания $F_1$ динамометра.

• Определите минимальную силу $F_2$, с которой нужно подействовать на брусок сбоку, чтобы он начал смещаться в направлении, перпендикулярном направлению первоначального движения.

• Повторите опыт 5–6 раз, постепенно нагружая брусок разновесами.

• Результаты измерений занесите в таблицу в своей тетради.

Масса грузиков	$m_1$, г	$m_2$, г	$m_3$, г	$m_4$, г	$m_5$, г
$F_1$, H
$F_2$, H

• Сделайте выводы. Зависят ли полученные результаты от скорости движения бруска?

Решение.

Результаты измерений занесите в таблицу в своей тетради.

Поскольку проведение реального эксперимента невозможно, приведем теоретически ожидаемые результаты, которые могли бы быть получены. Для расчетов примем массу бруска $M = 200$ г, коэффициент трения скольжения $\mu = 0,3$ и ускорение свободного падения $g \approx 9,8$ м/с². Результаты сведены в таблицу.

Параметр	Опыт 1	Опыт 2	Опыт 3	Опыт 4	Опыт 5
Масса грузиков, г	100	200	300	400	500
Сила $F_1$, Н	0,9	1,2	1,5	1,8	2,1
Сила $F_2$, Н	0,10	0,15	0,20	0,25	0,30

Сделайте выводы. Зависят ли полученные результаты от скорости движения бруска?

На основе анализа результатов эксперимента можно сделать следующие выводы:

1. Сила трения скольжения $F_1$ (сила, необходимая для равномерного прямолинейного движения бруска) увеличивается с добавлением грузов. Это происходит потому, что сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормальной реакции опоры $\text{N}$, которая, в свою очередь, равна суммарному весу бруска и грузов: $F_1 = F_{тр.ск.} = \mu \cdot N = \mu \cdot (M+m)g$. Результаты в таблице демонстрируют эту линейную зависимость.

2. Главный вывод эксперимента заключается в том, что минимальная боковая сила $F_2$, способная вызвать смещение движущегося бруска в поперечном направлении, значительно меньше силы трения скольжения $F_1$. Во всех проведенных опытах выполняется соотношение $F_2 \ll F_1$. Это явление аналогично заносу автомобиля с заблокированными колесами: когда тело уже скользит в одном направлении, его сопротивление движению в перпендикулярном направлении резко снижается. Чтобы сдвинуть покоящийся брусок, потребовалось бы преодолеть силу трения покоя, которая, как правило, больше силы трения скольжения ($F_{тр.п. max} > F_{тр.ск.}$). Таким образом, эксперимент наглядно показывает, что скользящее тело гораздо легче сдвинуть вбок, чем тело, находящееся в состоянии покоя.

Касательно зависимости результатов от скорости движения бруска: согласно закону Амонтона — Кулона для сухого трения, сила трения скольжения не зависит от относительной скорости трущихся поверхностей. Эксперимент проводился при медленном и равномерном движении, где эта модель хорошо применима. Поэтому в рамках точности данного опыта можно считать, что полученные значения сил $F_1$ и $F_2$ не зависят от скорости движения бруска.

Ответ: Основной вывод: сила $F_2$, необходимая для бокового смещения скользящего бруска, значительно меньше силы трения скольжения $F_1$. Это подтверждает, что скользящее тело легко "сорвать" в боковое движение (занос). В рамках данного эксперимента можно считать, что полученные результаты не зависят от скорости движения бруска.