Страница 111 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Приведите примеры проявления силы трения покоя в быту и в технике.

Приведите примеры проявления силы трения покоя в быту и в технике.

Сила трения покоя — это сила, которая возникает между двумя контактирующими телами и препятствует их относительному движению. Она проявляется, когда на одно из тел действует внешняя сила, но оно остаётся в покое. Величина силы трения покоя равна по модулю и противоположна по направлению внешней силе, пытающейся сдвинуть тело, до тех пор, пока эта сила не превысит максимальное значение силы трения покоя.

Примеры в быту:

• Мебель (шкаф, стол, диван) стоит на полу и не сдвигается с места, когда на неё случайно опираются или слегка толкают. Сила трения покоя между ножками мебели и полом удерживает её на месте.
• Книга, лежащая на наклонном столе, не соскальзывает вниз благодаря силе трения покоя.
• Гвоздь, вбитый в стену, удерживается в ней силой трения покоя, что позволяет вешать на него картины или одежду.
• Когда мы держим в руке чашку или любой другой предмет, именно сила трения покоя между нашими пальцами и поверхностью предмета не даёт ему выскользнуть.
• Узлы на верёвках и шнурках держатся за счёт силы трения покоя между витками.

Примеры в технике:

• Автомобиль, припаркованный на уклоне, удерживается от скатывания силой трения покоя между шинами и дорожным покрытием (а также тормозными колодками).
• Резьбовые соединения (болты и гайки) в конструкциях и механизмах не раскручиваются самопроизвольно под действием вибраций благодаря силе трения покоя в резьбе.
• Ленточный конвейер может перемещать грузы, в том числе и вверх под углом, так как сила трения покоя не даёт грузу соскальзывать с ленты.
• В ременной передаче, используемой во многих двигателях и станках, вращение от одного шкива к другому передаётся без проскальзывания благодаря силе трения покоя между ремнём и шкивами.

Ответ: В быту сила трения покоя удерживает мебель на месте, гвозди в стене, предметы в руках и не даёт развязаться узлам. В технике она удерживает припаркованные автомобили на уклоне, предотвращает самораскручивание болтов и гаек и обеспечивает передачу движения в ременных передачах и на ленточных конвейерах.

2. Какую силу необходимо приложить к книге, лежащей на...

Чтобы сдвинуть книгу, лежащую на горизонтальной поверхности (например, на столе), необходимо приложить горизонтальную силу, которая будет как минимум равна максимальной силе трения покоя. Сила трения покоя $F_{тр.п.}$ возникает в ответ на приложенную силу $F_{прил}$ и уравновешивает её до тех пор, пока книга остаётся на месте ($F_{тр.п.} = F_{прил}$).

Движение начнётся в тот момент, когда приложенная сила $F_{прил}$ превысит максимальное значение силы трения покоя $F_{тр.п.макс}$. Это максимальное значение рассчитывается по формуле:

$F_{тр.п.макс} = \mu_s N$

где:

• $\mu_s$ — коэффициент трения покоя, который зависит от материалов соприкасающихся поверхностей (обложки книги и стола) и качества их обработки.
• $N$ — сила нормальной реакции опоры. Для книги, лежащей на горизонтальной поверхности, сила нормальной реакции опоры по модулю равна силе тяжести, действующей на книгу: $N = F_{тяж} = mg$.

Здесь $m$ — масса книги, а $g$ — ускорение свободного падения (приблизительно $9.8 \text{ м/с}^2$).

Таким образом, для того, чтобы сдвинуть книгу, необходимо выполнить условие:

$F_{прил} \ge F_{тр.п.макс}$

Подставив выражение для максимальной силы трения покоя, получаем:

$F_{прил} \ge \mu_s mg$

Это означает, что для того, чтобы сдвинуть книгу, нужно приложить силу, большую или равную произведению коэффициента трения покоя на вес книги.

Ответ: Чтобы сдвинуть книгу с места, необходимо приложить к ней горизонтальную силу, которая будет больше или равна максимальной силе трения покоя, определяемой по формуле $F_{тр.п.макс} = \mu_s mg$, где $\mu_s$ — коэффициент трения покоя, $m$ — масса книги, $g$ — ускорение свободного падения.

2. Какую силу необходимо приложить к книге, лежащей на столе, чтобы сдвинуть её с места?

Какую силу необходимо приложить к книге, лежащей на столе, чтобы сдвинуть её с места?

Чтобы сдвинуть книгу, лежащую на горизонтальном столе, с места, к ней необходимо приложить горизонтальную силу, которая будет как минимум равна по модулю максимальной силе трения покоя.

Сила трения покоя ($F_{тр.п.}$) — это сила, возникающая между поверхностями книги и стола, которая препятствует началу движения. Она увеличивается вместе с прикладываемой внешней силой ($F_{внешн}$) до тех пор, пока не достигнет своего максимального значения ($F_{тр.п. max}$). В момент, когда приложенная сила превысит это значение, книга начнёт двигаться.

Максимальная сила трения покоя рассчитывается по формуле:

$F_{тр.п. max} = \mu_s \cdot N$

где $\mu_s$ — коэффициент трения покоя между книгой и столом, а $N$ — сила нормальной реакции опоры.

Для книги, лежащей на горизонтальном столе, сила нормальной реакции опоры по модулю равна силе тяжести, действующей на книгу:

$N = F_{тяж} = m \cdot g$

где $m$ — масса книги, а $g$ — ускорение свободного падения.

Таким образом, минимальная сила, необходимая для того, чтобы сдвинуть книгу с места ($F_{min}$), должна быть равна максимальной силе трения покоя:

$F_{min} = F_{тр.п. max} = \mu_s \cdot m \cdot g$

Эта сила должна быть направлена параллельно поверхности стола.

Ответ: чтобы сдвинуть книгу с места, необходимо приложить к ней силу, направленную параллельно поверхности стола, модуль которой как минимум равен максимальной силе трения покоя, $F \ge \mu_s mg$.

3. Чему равна и как направлена сила трения покоя?

Сила трения покоя — это сила, которая возникает между соприкасающимися поверхностями тел и препятствует их относительному движению. Её величина и направление зависят от внешней силы, пытающейся вызвать движение.

Величина:

Величина силы трения покоя ($F_{тр.п.}$) равна по модулю внешней силе ($F_{внешн}$), приложенной к телу параллельно поверхности, до тех пор, пока тело остается в покое.

$F_{тр.п.} = F_{внешн}$

Однако сила трения покоя не может быть бесконечно большой. Она имеет максимальное значение ($F_{тр.п. max}$), при превышении которого тело начинает скользить. Это максимальное значение определяется по формуле:

$F_{тр.п. max} = \mu_s \cdot N$

где $\mu_s$ — коэффициент трения покоя, а $N$ — сила нормальной реакции опоры. Таким образом, для силы трения покоя справедливо неравенство: $0 \le F_{тр.п.} \le \mu_s N$.

Направление:

Сила трения покоя всегда направлена вдоль поверхности соприкосновения тел, в сторону, противоположную направлению той внешней силы, которая пытается сдвинуть тело.

Ответ: сила трения покоя по модулю равна приложенной внешней силе (пока тело находится в покое) и направлена в сторону, противоположную этой силе. Её максимальное значение равно произведению коэффициента трения покоя на силу нормальной реакции опоры: $F_{тр.п. max} = \mu_s N$.

3. Чему равна и как направлена сила трения покоя?

Чему равна и как направлена сила трения покоя?

Сила трения покоя — это сила, которая возникает между поверхностями двух контактирующих тел и препятствует возникновению их относительного движения. Она действует до тех пор, пока тело остается в состоянии покоя под действием внешней силы.

Величина силы трения покоя ($F_{тр.п.}$) не является постоянной. Ее модуль всегда равен модулю внешней силы ($F_{внешн}$), приложенной к телу параллельно поверхности соприкосновения.
$F_{тр.п.} = F_{внешн}$
Сила трения покоя может изменяться от нуля (когда внешняя сила отсутствует) до своего максимального значения ($F_{тр.п. \text{max}}$). Если внешняя сила превысит это максимальное значение, тело начнет скользить, и сила трения покоя сменится силой трения скольжения. Максимальная сила трения покоя определяется по формуле:
$F_{тр.п. \text{max}} = \mu_п N$
где $\mu_п$ — это коэффициент трения покоя (зависит от материалов соприкасающихся поверхностей и качества их обработки), а $N$ — это сила нормальной реакции опоры (на горизонтальной поверхности она равна силе тяжести $mg$).
Таким образом, значение силы трения покоя находится в диапазоне: $0 \le F_{тр.п.} \le \mu_п N$.

Направление силы трения покоя всегда противоположно направлению той внешней силы, которая пытается сдвинуть тело. Сила трения покоя направлена вдоль поверхности соприкосновения тел. Например, если мы пытаемся толкнуть книгу на столе вправо, то сила трения покоя будет направлена влево, компенсируя наше усилие и удерживая книгу на месте.

Ответ: Сила трения покоя по модулю равна внешней силе, которая пытается вызвать движение, и направлена в сторону, противоположную этой силе. Ее величина может изменяться в пределах от нуля до максимального значения, равного произведению коэффициента трения покоя на силу нормальной реакции опоры ($F_{тр.п. \text{max}} = \mu_п N$).

1. На столике в вагоне поезда лежат пачка печенья и яблоко. Почему, когда поезд тронулся с места, яблоко покатилось назад, а пачка печенья осталась в покое?

Это явление объясняется инерцией и различием в силах трения, действующих на яблоко и пачку печенья.

Когда поезд трогается с места, он движется с ускорением. В соответствии с первым законом Ньютона (законом инерции), тела, находящиеся в вагоне, стремятся сохранить свое состояние покоя относительно Земли. Для наблюдателя, находящегося в поезде, это проявляется как действие на тела так называемой силы инерции, направленной в сторону, противоположную ускорению поезда. Чтобы тело начало двигаться по столику, эта сила инерции должна преодолеть силу трения покоя.

Ключевое различие между яблоком и пачкой печенья заключается в виде и величине силы трения:

У яблока круглая форма, и оно может катиться. Сила, необходимая для начала качения (сила трения качения), очень мала. Поэтому даже при небольшом ускорении поезда силы инерции оказывается достаточно, чтобы заставить яблоко катиться назад относительно вагона.

У пачки печенья плоское основание. Чтобы сдвинуть ее, нужно преодолеть силу трения скольжения. Коэффициент трения скольжения, как правило, значительно больше коэффициента трения качения. Поэтому силы инерции, действующей на пачку, оказывается недостаточно, чтобы преодолеть эту большую силу трения скольжения, и пачка остается на месте.

Таким образом, разное поведение объектов обусловлено тем, что сила инерции при ускорении поезда оказалась больше силы трения качения для яблока, но меньше силы трения скольжения для пачки печенья.

Ответ: Яблоко покатилось, а пачка печенья осталась в покое из-за разницы в силах трения. Сила трения качения для круглого яблока значительно меньше силы трения скольжения для плоской пачки печенья. При ускорении поезда возникшая сила инерции смогла преодолеть малое трение качения яблока, но ее оказалось недостаточно, чтобы преодолеть большое трение скольжения пачки.

2. В результате действия какой силы человеку, неподвижно стоящему на земле, удаётся сдвинуться с места и приобрести ускорение? Куда направлена эта сила? Со стороны какого тела она действует?

Решение

Чтобы человек, неподвижно стоящий на земле, мог сдвинуться с места и приобрести ускорение, на него должна подействовать внешняя результирующая сила. Согласно второму закону Ньютона, ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей всех сил, приложенных к телу ($ \vec{F}_{рез} = m\vec{a} $). Сам человек, являясь физическим телом, не может изменить состояние своего движения, создавая лишь внутренние силы (например, напрягая мышцы).

Движение становится возможным благодаря взаимодействию человека с опорой — землей. Этот процесс описывается третьим законом Ньютона. Когда человек делает шаг, он отталкивается от земли, прикладывая к ней силу, направленную назад. В соответствии с третьим законом Ньютона, на каждое действие существует равное по модулю и противоположное по направлению противодействие. Поэтому земля действует на человека с ответной силой, которая равна по величине силе, приложенной человеком, и направлена в противоположную сторону — вперед.

Именно эта сила, действующая на человека со стороны земли, и является той внешней силой, которая сообщает ему ускорение. По своей физической природе это сила трения покоя, возникающая между подошвой обуви и поверхностью земли. Она препятствует проскальзыванию ноги назад и толкает человека вперед.

Ответ: человеку удается сдвинуться с места и приобрести ускорение в результате действия силы трения покоя. Эта сила направлена вперед (в сторону движения) и действует на человека со стороны земли.