Силы трения

министерство ОБРАЗОВАНИЯ НИЖЕГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ

ГБПОУ «ШАХУНСКИЙ АГРОПРОМЫШЛЕННЫЙ ТЕХНИКУМ»

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

Урок по дисциплине «Техническая механика»

«Силы трения»

г. Шахунья, 2015 г.

Согласовано Утверждено

в методическом совете предметно-цикловой

ГБПОУ ШАПТ комиссией

_____________________ ______________________

(дата, протокол) (название)

зам. директора по НМР: ГБПОУ ШАПТ

_____________________ _____________________

(подпись, Ф. И. О.) (дата, протокол)

председатель:

______________________

(подпись, Ф. И. О.)

Данная методическая разработка позволяет провести урок по теме «Силы трения». Студенты осваивают новую тему по технической механике. Результатом работы студентов будут заполненные карточки с тестовыми и контрольными заданиями. Весь урок сопровождается презентацией.

СОСТАВИТЕЛЬ:

Скибардина Е. А., - преподаватель информатики

РЕЦЕНЗЕНТЫ:

Ворожцова А.С. – преподаватель физики

РЕЦЕНЗИЯ

На методическую разработку урока по дисциплине Техническая механика

Тематика методической разработки согласована с содержанием учебной дисциплины «Техническая механика». Предлагаемая методическая разработка рассчитана на проведение урока изучения нового материала.

Выполнение заданий поможет студентам закрепить полученные теоретические знания. Мультимедийная презентация позволяет более наглядно представить материал урока. Данный урок способствуют развитию культуры труда у студентов, применению знаний в профессиональной деятельности будущих специалистов.

Рецензент: Ворожцова А.С. - преподаватель физики ГБПОУ «Шахунский агропромышленный техникум», первая категория

Тема урока: «Силы трения»

Тип урока: мультимедийный урок изучения нового материала

Цель урока:

Способствовать пониманию силы трения при решении теоретических задач, в практических ситуациях, создание условия дляобучения различным формам взаимодействия на уроке и формирование навыков целеполагания, самооценки, рефлексии

Способствовать обучению студентов умению сравнивать и обобщать законы трения скольжения и качения, выявлять, когда трение бывает полезным, когда вредным

Способствовать развитию умений организовывать собственную деятельность, исходя из цели и способов ее достижения, принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях, нести за них ответственность

Задачи урока:

повторить понятия сила, какие силы бывают, единицы измерения

изучить силу трения скольжения и качения и их отличие

научиться решать задачи, в которых действует сила трения

Формы организации деятельности на уроке: фронтальная, индивидуальная, парная, групповая

Структура урока

Методы:

работа учащихся парная и индивидуальная под руководством учителя, самостоятельная, групповая

словесные

наглядные

Оборудование:

Мультимедийный проектор со слайдами-презентациями, подготовленными с использованием программы PowerPoint

раздаточный материал (диктант), тесты

файлы заданий и ключ проверки на ПК

ПК

Конструирование учебного занятия

ТРЕНИЕ – СИЛА ЗНАКОМАЯ,
НО ТАИНСТВЕННАЯ
А.А. Первозванский

Итак, сегодня мы познакомимся с новой силой – силой трения,  ее видами, выясним причины возникновения силы трения, выясним зависимость силы трения от веса тела, сравним силы трения скольжения и трения качения.

Что такое сила? (сила – мера взаимодействия тел, сила физическая величина, её можно измерить)

От чего зависит результат действия силы?(результат действия силы на тело зависит от её модуля, направления и точки приложения)

Какие силы мы уже знаем? (силу тяжести, силу реакции, вес тела)

Дайте характеристику силы тяжести. (сила, с которой Земля притягивает к себе тело; приложена к телу и направлена вертикально вниз; сила тяжести прямо пропорциональна массе тела)

Как называют прибор для измерения силы?(динамометр)

Единица измерения силы. (ньютон)

Как найти равнодействующую двух сил, приложенных к телу в точке А?

Учитель: Я вижу, что пройденный материал вы усвоили.

ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ТРЕНИЯ
С явлением трения и силой трения мы знакомы с детства. Первые исследования силы трения были проведены великим итальянским ученым Леонардо да Винчи более 400 лет назад, но эти работы не были опубликованы. Законы сухого трения были описаны французскими учеными Гильомом Амонтоном и Шарлем Кулоном.

Исходя из жизненного опыта, попробуйте сформулировать определение этому явлению. Что такое трение?

Варианты ответа: сопротивление движению, механическое сопротивление движению.

? Когда возникает трение?

? Только при движении?

? Существует ли трение у покоящегося тела?

? Какие виды сил трения существуют?

? Что вы можете сказать о сравнительной величине сил трения?\

Возьмите 2 стеклянные пластины, прижмите их друг к другу, а затем сдвиньте одну пластину относительно другой. Что вы наблюдаете? Почему пластины трудно сдвинуть?

(даже гладкие на вид поверхности тел имеют царапины, неровности; когда одно тело движется по поверхности другого, эти неровности цепляются друг за друга и создают силу, задерживающую движение)

2) Капните на одну пластину 2-3 капельки воды и повторите опыт. Почему стало еще труднее сдвигать пластины? (слайд 14)

(между молекулами соприкасающихся тел возникают силы взаимного притяжения, которые и являются причиной трения.)

Назовите причины возникновения трения.

(Причины возникновения трения: шероховатость соприкасающихся поверхностей, взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел (слайд 15)

Поэтому реакцию шероховатой поверхности представим в виде двух составляющих: нормальной реакции N (равна по модулю силе нормального давления) и перпендикулярной ей силы трения F.

Полная реакция R=N + F всегда отклонена от нормали к поверхности на некоторый угол "альфа". На рисунке видно, что . Если тело лежит на горизонтальной шероховатой поверхности и на него не действуют никакие внешние силы, кроме силы тяжести, то F = 0, а полная реакция R = N и перпендикулярна опорной поверхности. Приложив к телу силу F1, мы стремимся вызвать его движение, но оно не происходит, так как возникает сила трения F = -F1, причем . С увеличением силы F1 будет возрастать и сила F . Наконец, при F1 = Fmax наступит предельное состояние равновесия, при котором полная реакция R отклонится от вертикали на угол "альфа"max, называемый углом трения. Обозначив его через "фи", получим.

Тангенс угла трения равняется коэффициенту трения. Полная реакция неидеальной связи при равновесии имеет направление в пределах угла трения.

Шарль Кулон (1736-1806) установил основные приближенные законы для сухого трения скольжения при покое. Эти законы справедливы, когда поверхности тел не вдавливались друг в друга, а их шероховатость была не слишком велика.

Сформулируем законы Кулона для трения скольжения.

Первый закон.Сила трения скольжения равна сдвигающей силе и заключена между нулем и максимальным значением, которое достигается в момент выхода тела из положения равновесия

(условие отсутствия скольжения тела).

Второй закон.Максимальная сила трения скольжения при всех прочих условиях не зависит от площади соприкосновения трущихся поверхностей.

Из этого закона следует, что для того, чтобы сдвинуть, например, кирпич, надо приложить одну и ту же силу независимо от того, какой гранью он положен на поверхность – широкой или узкой.

Третий закон.Максимальная сила трения скольжения пропорцио­нальна силе нормального давления тела на опорную поверхность

(условие начала скольжения тела).

 ; ;

- нормальная реакция опорной поверхности;

- сила давления тела на эту поверхность.

Безразмерный коэффициент называют коэффициентом трения скольжения или коэффициентом трения 1-го рода.

Четвертый закон.Коэффициент трения скольжения зависит от материала и физического состояния трущихся поверхностей (степени шероховатости, влажности, температуры и других условий).

Коэффициент трения скольжения в зависимости от различных условий устанавливается экспериментально.

Приведем значения коэффициента трения скольжения для некоторых материалов:

Сталь по льду. . . . . . . . . . . . . . . 0,027

Сталь по стали . . . . . . . . . . . . . . 0,15

Бронза по чугуну . . . . . . . . . . . . . 0,16

Бронза по железу . . . . . . . . . . . . . 0,19

Кожаный ремень

по чугуну . . . . . . . . . . . . . 0,28

Дуб по дубу . . . . . . . . . . . . . . . . 0,54 - 0,62

Приведенные выше данные содержат лишь приближенную оценку коэффициентов трения скольжения и поэтому пригодны лишь для приближенных технических расчетов. В некоторых приходится ставить особые эксперименты для определения более точных значений коэффициентов трения.

6. Первичное закрепление изученного материала.

Вы хорошо работали в течение урока. Сейчас необходимо проверить, как вы усвоили новый материал. Выполните в тетради тестовое задание.

1. Какая сила не позволяет сдвинуть с места тяжелый шкаф?

А. Силы трения скольжения. Б. Сила трения покоя. В. Сила тяжести.

2. Парашютист, масса которого 70 кг, равномерно опускается. Чему равна сила сопротивления воздуха?

А. 700 Н. Б. 0 Н. В. 70 Н.

3. При смазке трущихся поверхностей сила трения …

А. не изменяется. Б. увеличивается. В. уменьшается.

4. Как направлена сила трения, когда брусок движется по столу вправо?

А. Вправо. Б. Влево. В. Вертикально вниз.

5. В гололед тротуары посыпают песком. При этом трение подошв обуви о лед …

А. не изменяется. Б. уменьшается. В. увеличивается.

Проверьте результаты своей работы.

Ответы: Б А В Б В (слайд 21)

Ребята, кто выполнил тест без ошибок? Молодцы, вы были на уроке внимательны.

Кто допустил одну-две ошибки? Вам необходимо обратить внимание на вопросы, вызвавшие затруднения

Тем, у кого более трёх ошибок, надо внимательно проработать материал ещё раз.

Конус трения.

Рассмотрим равновесие невесомого тела на горизонтальной шероховатой плоскости под действием наклонной силы F1, стремящейся его сдвинуть.

Тело будет сдвинуто только тогда, когда > Fmax = . Предельному случаю равновесия соответствует такой угол
наклона a, при котором выполняется равенство =, или tgα = f. Если tgα<=f, то как бы не возрастала сила F1, тело сдвинуть с места невозможно. Возрастающей сдвигающей силе будет противостоять пропорционально ей увеличивающаяся сила трения .

Поворачивая вокруг вертикали вектор силы F1 и сохраняя при этом предельное равновесие, опишем конус, называемый конусом трения. Если свойства соприкасающихся поверхностей во всех направлениях одинаковы, то угол а будет постоянным, а конус трения круговым. Конус трения обладает тем замечательным свойством, что если действующая на тело сила находится внутри него, то тело всегда будет находиться в равновесии. Этим объясняются известные явления заклинивания, или самоторможения тел.

Что выгоднее: качение или скольжение?

Что лучше – скользить или катиться? Конечно, катиться выгоднее, чем скользить. Чтобы поддерживать качение, нужно прикладывать гораздо меньшую силу, чем для поддержания, скольжения с той же скоростью. Поэтому понятно, что летом ездят в телеге, а не на санях.

Но почему же зимой колёса уступают место полозьям? Всё дело в том, что колёса выгоднее полозьев только в том случае, когда они катятся. А чтобы колёса могли катиться, под ними должна быть твёрдая, гладкая дорога и к тому же нескользкая.
ОПЫТ
Сравнение силы трения скольжения и силы трения качения.



Поставьте на стол круглый (не гранёный) стакан и толкните его так, чтобы он заскользил своим дном по столу. Сдвинувшись, стакан остановится.
Положите теперь тот же стакан на бок и толкните его с той же силой.Стакан, прокатившись,продвинется дальше. В чём дело?
Вес стакана не изменился, его стенки и дно сделаны из одного и того же стекла, стол тот же самый.
Всё дело в том, что теперь стакан катится, а не скользит, и тормозит его движение сила трения качения, которая во много раз меньше силы трения скольжения. Во многих случаях оно оказывается раз в 50 больше трения качения!
Трение качения

При той же силе давления на стол сила трения качения много меньше силы трения скольжения. Например, при качении стальных колёс по стальным рельсам трение качения примерно в 100 раз меньше, чем трение скольжения. Поэтому в машинах стремятся заменить трение скольжения трением качения, применяя так называемые шариковые или роликовые подшипники.

Происхождение трения качения можно наглядно представить себе так. Когда шар или цилиндр катится по поверхности другого тела, он немного вдавливается в поверхность этого тела, а сам немного сжимается. Таким образом, катящееся тело всё время как бы вкатывается на горку.

Рис.33

Если рассматриваемое тело имеет форму цилиндрического катка и под действием активных сил может катиться по поверхности другого тела, то из-за деформации поверхностей этих тел в месте их соприкосновения возникают силы реакции, препятствующие как скольжению, так и качению катка. Примерами таких катков являются различные колеса, например, колеса локомотивов, электровозов, вагонов, автомашин и т.д.

Пусть к оси катка весом , н аходящегося на горизонтальной плоско­сти, приложена горизонтальная сила (рис. 1.29). Соприкосновение катка с плоскостью из-за их деформации происхо­дит не вдоль одной образующей цилиндра, как в случае абсолютно твердых тел, а по некоторой площадке . Точка приложе­ния реакций и будет находиться в некоторой точке этой площадки.

Из условий равновесия катка имеем

 ; ; .

На каток действуют две уравновешенные пары сил

 .

Пара стремится привести каток в движение; пара препятствует движению.

Момент пары называется моментом сопротивления качению.

Итак, реакция плоскости на каток состоит из нормальной реакции , касательной реакции (силы трения качения), из пары трения качения с моментом сопротивления качению.

Установлены следующиеприближенные законы трения качения.

Первый закон.Максимальный момент пары сил, препятствующий качению, в широких пределах не зависит от радиуса катка.

Второй закон.Максимальный момент сопротивления качению про­порционален силе нормального давления катка на опорную плоскость и дос­тигается в момент выхода катка из положения равновесия

;

(условие начала качения катка).

Коэффициент называют коэффициентом трения качения иликоэффициентом трения 2-го рода. Он имеет размерность длины.

Коэффициент трения качения равен плечу пары сопротивления качения при предельном равновесии катка (рис. 1.29).

Третий закон.Коэффициент трения качения зависит от материала катка, опорной плоскости, а также от физического состояния их поверхностей.

В момент начала качения катка (выхода катка из положения равновесия) имеем (рис. 1.29)

; ; .

Коэффициенты трения качения устанавливаются экспериментально.

Трением качения называется сопротивление, возникающее при качении одного тела по поверхности другого.

Отличительным признаком трения качения является то, что скорости двух твердых тел в точке их касания одинаковы по модулю и направлению

Трение всегда тормозит движение; на преодоление трения всех видов расходуется громадное количество ценного топлива.
Трение вызывает износ трущихся поверхностей.
Положительная и отрицательная роль трения слайд 20-21

Жизненный опыт подсказывает нам, что трение очень важно в нашей жизни и играет как положительную, так и отрицательную роль. Поговорим об этом. Мудрость и жизненный опыт любой народ заключает в поговорки. Например:

не подмажешь, не поедешь;

пошло дело как по маслу;

угря в руках не удержишь;

что кругло – легко катится;

лыжи скользят по погоде;

из навощенной нити сеть не сплетешь;

колодезная веревка сруб перетирает;

ржавый плуг только на пахоте очищается;

ловкий человек и на дынной корке не поскользнется;

нет такого человека, который бы хоть раз не поскользнулся на льду.

Как же можно использовать изученное явление в жизни? Приведите свои примеры. Явление трения используют в технике:

- для передачи движения;

- при обработке металлов и других материалов;

- при сварке трением;

- при заточке инструментов;

- для скрепления материалов, деталей конструкций;

- при шлифовке, полировке материалов и т.д.

Какую оценку можно дать роли трения в жизни? Учитывая отрицательную роль трения, необходимо его уменьшить. Для этого необходимо:

- подбирать материалы с низким коэффициентом трения;

- повысить качество обработки трущихся поверхностей;

- заменить трение скольжения трением качения;

- использовать смазку.

Запишите вывод в таблицу.

Благодаря наличию в природе силы трения возможна жизнь в том виде, в каком она существует на Земле. Но вместе с тем, трение изнашивает машины и подошвы нашей обуви, двигатели автомобилей, самолетов, паровозов. Они все работают против трения, на это тратится огромное количество различных видов горючего. Трение в одних условиях полезно, а в других вредно.

Иногдатрение- «вред»!
Трение тормозит движение; на преодоление трения всех видов расходуется громадное количество ценного топлива. Трение вызывает износ трущихся поверхностей: стираются подошвы, шины автомобилей, детали машин. Вредное трение стараются уменьшить.
Но иногда в трении - польза!
Тогда его стараются увеличить, например, при ходьбе в гололед.
А если бы трения не было?
Лауреат Нобелевской премии, швецарский физик Шарль Гийом сказал: “ Вообразим, что трение может быть устранено совершенно, тогда никакое тело, будь оно величиной с каменную глыбу или мало, как песчинка, никогда не удержится одно на другом, все будет скользить и катиться, пока не окажется на одном уровне. Не будь трения, Земля была бы без неровностей, подобно жидкости.”
Самый низкий коэффициент  трения для твёрдого тела (0,02) имеет  известный вам тефлон.     У каждого  современного человека есть на кухне  кастрюли и сковородки с антипригарным тефлоновым покрытием.

Если у движущегося поезда одновременно открыть все окна, то обтекание его воздухом настолькоухудшится, что сила сопротивления движению возрастет примерно на четверть.

Гидрокостюмы, которые специально разрабатываются  для подводной охоты и фридайвинга,  выпускаются   со  сверхгладким покрытием с внешней стороны для уменьшения потерь на трение при скольжении в воде.
На следующем уроке. Мы будем решать задачи на определение коэффициента трения, на определение силы трения.

В низших кинематических парах механизмов происходит трение скольжения. В высших кинематических парах может происходить: качение, качение со скольжением и скольжение.      

Сила трения в значительной степени зависит от состояния трущихся поверхностей. В связи с этим различают трение без смазочного материала и трение со смазочным материалом, которое представляет собой трение двух тел при наличии на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида.

Когда полное разделение поверхностей трения деталей осуществляется жидким смазочным материалом, силу трения определяют по формуле Ньютона,

а в остальных случаях считают справедливым закон Амонтон

ВОПРОС ДЛЯ ВСЕХ!

Лошадь везет телегу.

Где здесь сила трения полезна, а где вредна?

- Что называется силой трения?__________________________________

_______________________________________________________________________________________________________________________________

- Назовите размерность коэффициента трения скольжения.___________

- Что такое предельная сила трения скольжения.____________________

_______________________________________________________________________________________________________________________________

- Что характеризует конус трения?_______________________________

_______________________________________________________________________________________________________________________________

- Назовите причину появления момента трения качения._____________

_______________________________________________________________________________________________________________________________

- Какова размерность коэффициента трения качения?_______________

-   В каких пределах может изменяться сила трения при равновесии тела? __

__________________________________________________________________

  - От чего зависит величина коэффициента трения скольжения (коэффициента сцепления) тела 

        на  негладкой поверхности?______________________________________

__________________________________________________________________

- Что понимается под углом трения  и  под конусом трения ?  Чему равен тангенс угла трения ?_______________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________

- При каком максимальном угле наклона плоскости к горизонту  тело при наличии трения

         не будет двигаться вдоль плоскости? _____________________________  

По какой причине возникает сопротивление качению тяжелого тела по  плоскости ? _______________________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________ 

10. Рефлексия.

Самой интересной информацией была …….

Для меня было открытием …..

Я, считаю, что прошедший урок был …

Что такое сила?_______________________________________________

_______________________________________________________________

От чего зависит результат действия силы? _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Какие силы мы уже знаем? ______________________________________

________________________________________________________________

4.Дайте характеристику силы тяжести.______________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________

5. Как называют прибор для измерения силы?_______________________

Единица измерения силы.___________________

Как найти равнодействующую двух сил, приложенных к телу в точке А?___________________________________________________________

Что такое сила?_______________________________________________

_______________________________________________________________

От чего зависит результат действия силы? _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Какие силы мы уже знаем? ______________________________________

________________________________________________________________

4.Дайте характеристику силы тяжести.______________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________

5. Как называют прибор для измерения силы?_______________________

Единица измерения силы.___________________

Как найти равнодействующую двух сил, приложенных к телу в точке А?___________________________________________________________

Домашнее задание

1. Какие тела рассматривают при решении задач с учетом трения?______________________________________________________________________________________________________________________________ 2. Сформулируйте определение: ТРЕНИЕ – это__________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Что называют трением скольжения?_________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________4. Заполните схему

5. Используя рисунок, запишите формулы

F_тр= f=

6. Решите задачу

Список литературы

1. Вереина Л.И. «Техническая механика» М., «ACADEMA» 2003

Эрдеди А.А., Аникин И.В.и др. «Техническая механика» М., «Высшая школа» 1980

Мовнин М.С и др. «Руководство к решению задач по технической механике» М., «Высшая школа» 1977

Олофинская В.П. «Техническая механика» М., ФОРУМ:ИНФРА-М, 2008

9.1.   Чем отличается реакция негладкой поверхности по величине   и  направлению от реакции

         гладкой поверхности?

9.2.  В каких пределах может изменяться сила трения при равновесии тела? 

        Как определяется максимальная величина силы трения?

9.3.  От чего зависит величина коэффициента трения скольжения (коэффициента сцепления) тела 

        на  негладкой поверхности?

9.4.  Что понимается под вектором полной реакции шероховатой  поверхности? 

         Как определяется модуль этого вектора ?

9.5.   Что понимается под углом трения  и  под конусом трения ?  Чему равен тангенс угла трения ?

9.6.   При каком максимальном угле наклона плоскости к горизонту  тело при наличии трения

         не будет двигаться вдоль плоскости?

9.7.   По какой причине возникает сопротивление качению тяжелого тела по  плоскости ?  

         Чему равен момент сопротивления качению ?

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/208825-sily-trenija