Обсудить в классе, страница 75 - гдз по физике 8 класс учебник Громов, Родина

Глава 2. Изменение агрегатных состояний вещества. Параграф 19. Изобретение автомобиля и паровоза. Вопросы - страница 75.

Условие.

Как вы уже знаете, паровоз едет и тащит за собой вагоны потому, что трение ведущих колёс значительно больше трения ведомых колёс и колёс вагонов. Как вы думаете, почему? У паровоза разные колёса — ведущие и ведомые? Если да, то в чём их различие? Или дело не в этом?

Решение.

Почему трение ведущих колёс значительно больше?

Утверждение в вопросе абсолютно верно, но требует уточнения. Дело не в том, что у ведущих колёс какой-то особый коэффициент трения, а в том, как используется сила трения и от чего зависит её величина.

Сила трения (в данном случае сила тяги, которая является силой трения покоя) рассчитывается по формуле:

$F_{тр} = \mu \cdot N$

где $\mu$ – коэффициент трения, а $\text{N}$ – сила нормальной реакции опоры (в данном случае она равна силе, с которой колесо давит на рельс).

Коэффициент трения $\mu$ для пары "стальное колесо – стальной рельс" примерно одинаков для всех колёс поезда. Ключевое различие заключается в силе $\text{N}$. Паровоз – это очень тяжёлая машина. Основная часть его массы приходится именно на ведущие колёсные пары. Благодаря этому создаётся огромная сила нормальной реакции опоры $\text{N}$, что позволяет реализовать большую силу трения, которая и выступает в роли силы тяги, толкающей весь состав вперёд.

Трение же на ведомых колёсах паровоза и колёсах вагонов – это в основном трение качения, которое является силой сопротивления и которое стремятся сделать как можно меньше. Эта сила на порядки меньше, чем сила тяги. Таким образом, на ведущих колёсах "полезное" трение (сила тяги) максимально велико, а на всех остальных "вредное" трение (сопротивление движению) минимально.

Ответ: Трение ведущих колёс больше, потому что на них приходится основная масса локомотива. Это создаёт большую силу нормальной реакции опоры ($\text{N}$), которая, в свою очередь, позволяет создать значительную силу тяги ($F_{тр} = \mu \cdot N$), необходимую для перемещения всего состава.

У паровоза разные колёса — ведущие и ведомые? Если да, то в чём их различие?

Да, колёса у паровоза разные по своей функции и конструкции.

1. Ведущие колёса (сцепные): Это большие колёса, которые напрямую соединены через шатуны (дышла) с паровой машиной. Именно на них передаётся крутящий момент от поршней, и именно они создают силу тяги. На них приходится основная часть веса паровоза для обеспечения максимального сцепления с рельсами.

2. Ведомые колёса: Они не связаны с двигателем и вращаются свободно. Они делятся на два типа:

• Бегунковые колёса (бегунки): Расположены в передней части паровоза, обычно имеют меньший диаметр. Их задача – направлять локомотив в кривых участках пути, обеспечивая плавность хода и устойчивость на высоких скоростях.
• Поддерживающие колёса: Расположены в задней части паровоза под топкой и кабиной машиниста. Их основная задача – поддерживать вес задней, тяжёлой части паровоза, который не могут нести на себе ведущие колёса из-за ограничений по нагрузке на ось.

Колёса вагонов также являются ведомыми и служат только для качения по рельсам с минимальным сопротивлением.

Ответ: Да, колёса у паровоза разные. Ведущие колёса приводятся в движение двигателем и создают тягу, на них приходится основная масса локомотива. Ведомые (бегунковые и поддерживающие) колёса служат для направления движения, устойчивости и распределения веса, они не связаны с двигателем.

Или дело не в этом?

Дело именно в этом. Фундаментальная причина заключается не в материале колёс или их поверхности, а в распределении веса и функциональном назначении. Чтобы сдвинуть с места и тащить тяжёлый состав, нужна огромная сила тяги. Эту силу тяги может обеспечить только сила трения покоя между ведущими колёсами и рельсами. Чтобы эта сила трения была достаточной и колёса не проскальзывали, на них должна действовать очень большая прижимающая сила, т.е. вес. Поэтому паровозы (и другие локомотивы) делают максимально тяжёлыми и концентрируют этот вес на ведущих осях.

Иногда, при трогании с места или на подъёме, даже этого веса бывает недостаточно, и колёса начинают проскальзывать. Для таких случаев в паровозах предусмотрена система подачи песка (песочница) под ведущие колёса, что временно увеличивает коэффициент трения $\mu$ и улучшает сцепление.

Ответ: Дело именно в огромном весе, приходящемся на ведущие колёса, что позволяет создать необходимую для движения силу тяги. Различия в конструкции колёс (ведущие/ведомые) обусловлены их разными функциями в этом процессе.