Силы трения. Сухое и жидкое трение.

Силой трения называют силу, которая возникает при движении одного тела по поверхности другого. Она всегда направлена противоположно направлению движения. Сила трения прямо пропорциональна силе нормального давления на трущиеся поверхности и зависит от свойств этих поверхностей. Законы трения связаны с электромагнитным взаимодействием, которое существует между телами.

Различают трение внешнее и внутреннее.

Внешнее трение возникает при относительном перемещении двух соприкасающихся твердых тел (трение скольжения или трение покоя).

Внутреннее трение наблюдается при относительном перемещении частей одного и того же сплошного тела (например, жидкость или газ).

Различают сухое и жидкое (или вязкое) трение.

Сухое трение возникает между поверхностями твердых тел в отсутствие смазки.

Жидким (вязким) называется трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой или ее слоями. Сухое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения.

Рассмотрим законы сухого трения (рис. 4.5).

Рис. 4.5

Рис. 4.6

Подействуем на тело, лежащее на неподвижной плоскости, внешней силой , постепенно увеличивая ее модуль. Вначале брусок будет оставаться неподвижным, значит, внешняя сила уравновешивается некоторой силой , направленной по касательной к трущейся поверхности, противоположной силе . В этом случае и есть сила трения покоя.

Установлено, что максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения тел и приблизительно пропорциональна модулю силы нормального давления N:

μ₀ – коэффициент трения покоя, зависящий от природы и состояния трущихся поверхностей.

Когда модуль внешней силы, а следовательно, и модуль силы трения покоя превысит значение F ₀, тело начнет скользить по опоре – трение покоя F _тр.пок сменится трением скольжения F _ск (рис. 4.6):

Fтр = μ N,

(4.4.1)

где μ – коэффициент трения скольжения.

Трение качения возникает между шарообразным телом и поверхностью, по которой оно катится. Сила трения качения подчиняется тем же законам, что и сила трения скольжения, но коэффициент трения μ; здесь значительно меньше.

Подробнее рассмотрим силу трения скольжения на наклонной плоскости (рис. 4.7). На тело, находящееся на наклонной плоскости с сухим трением, действуют три силы: сила тяжести , нормальная сила реакции опоры и сила сухого трения . Сила есть равнодействующая сил и ; она направлена вниз, вдоль наклонной плоскости. Из рис. 4.7 видно, что

F = mg sin α, N = mg cos α.

Рис. 4.7

Если – тело остается неподвижным на наклонной плоскости. Максимальный угол наклона α определяется из условия (F _тр)_max = F или μ mg cosα = mg sinα, следовательно, tg α_max = μ, где μ – коэффициент сухого трения.

F _тр = μ N = mg cosα,
F = mg sinα.

При α > α_max тело будет скатываться с ускорением

a = g (sinα - μcosα),
F _ск = ma = F - F _тр.
Если дополнительная сила F _вн, направленная вдоль наклонной плоскости, приложена к телу, то критический угол α_max и ускорение тела будут зависеть от величины и направления этой внешней силы.

Билет 19

1. Три способа задания движения материальной точки: координатный, векторный и естественный.

Рис. 1

1. Естественный способ. Этим способом пользуются, если из­вестна траектория движения точки. Траекторией называется совокуп­ность точек пространства, через которые проходит движущаяся мате­риальная частица. Это линия, которую она вычерчивает в пространстве. При есте­ст­венном способе необходимо задать (рис. 1):

а) траекторию движения (отно­си­тель­но какой-либо системы коор­динат);

б) произвольную точку на ней нуль, от которого отсчитывают расстояние S до движущейся частицы вдоль траектории;

в) положительное направление от­счета S (при смещении точки М в противоположном направлении S отрицательно);

г) начало отсчета времени t;

д) функцию S(t), которая называется законом движения*) точки.

2. Координатный способ. Это наиболее универсальный и ис­черпывающий способ описания движения. Он предполагает задание:

а) системы координат (не обязательно декартовой) q1, q2, q3;

б) начало отсчета времени t;

в) закона движения точки, т.е. функций q1(t), q2(t), q3(t).

Говоря о координатах точки, мы всегда будем иметь в виду (если не оговорено противное) ее декартовы координаты.

3. Векторный способ. Положение точки в пространстве может быть определено также и радиус-вектором, проведенным из некоторо­го начала в данную точку (рис. 2). В этом случае для описания дви­жения необходимо задать:

а) начало отсчета радиус-вектора r;

б) начало отсчета времени t;

в) закон движения точки r (t).

Поскольку задание одной векторной величины r эквивалентно заданию трех ее проекций x, y, z на оси координат, от век­торного способа легко перейти к коорди­натному. Если ввести единичные векторы i, j, k (i = j = k = 1), направленные соответственно вдоль осей x, y и z (рис. 2), то, очевидно, закон движения может быть представлен в виде*)

r (t) = x(t) i +y(t) j +z(t) k. (1)

Преимущество векторной формы записи перед координатной в компактности (вместо трех величин оперируют с одной) и часто в большей наглядности.

2. Трение покоя — сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга. Возникает при микроперемещениях (например, при деформации) контактирующих тел. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного относительного движения.

Билет 20

1. Закон движения материальной точки. Закон равноускоренного движения.

Закон движения — математическая формулировка того, как движется тело или как происходит движение более общего вида или набор зависимостей, которые выявляют все данные о движении точки.В классической механике материальной точки закон движения представляет собой три зависимости трёх пространственных координат от времени, либо зависимость одной векторной величины (радиус-вектора) от времени, вида

Закон равноускоренного движения

Равноускоренное движение в поле тяжести Земли

Закон равноускоренного движения получается в результате решения простейшего дифференциального уравнения вида:

Общее решение этого уравнения дается формулой:

;

Здесь и — произвольные константы, соответствующие начальной координате и начальной скорости.

Движение с постоянным ускорением называют равноускоренным. Движение с постоянным ускорением подчиняется закону:

;

.

При этом уравнения движения в координатной форме имеют аналогичный вид:

;

.

В этом случае часто говорят о равноускоренном движении, если знаки и совпадают и о равнозамедленном, если и имеют противоположные знаки. При этом знак каждой из величин зависит от начального выбора системы отсчета.

Частный случай равноускоренного движения — равномерное движение. В этом случае . Тогда движение описывается закону:

2. Все тела взаимодействуют друг с другом с силой, прямо пропорциональной произведению масс этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Закон всемирного тяготения гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними — то есть: F=G*m1*m2/R^2

Билет 21

1. Путь(S) – это скалярная величина, равная длине траектории. Путь всегда положительная величина.

Перемещение - вектор, соединяющий начальной положение материальной точки с ее конечным положением на траектории. Перемещение векторная величина.

Траектория – линия, вдоль которой движется тело.

2. Сила тяжести - сила, с которой тело притягивается к Земле под действием поля тяготения Земли.

По закону всемирного тяготения на тело массой m действует сила тяжести

Fт=GMm/(R+h)2 - формула силы тяжести в общем виде.

где М - масса Земли; R - радиус Земли; h – высота от поверхности Земли;

Если h=0, то Fт=GMm/R2 *m= mg, где g= GMm/R2 – ускорение свободного падения.

Вес – сила, с которой тело действует на опору или подвес.

Вес P тела, покоящегося в инерциальной системе отсчёта P, совпадает с силой тяжести, действующей на тело, и пропорционален массе m и ускорению свободного падения g в данной точке:

P=mg

При движении системы тело — опора относительно инерциальной системы отсчёта c ускорением a вес перестаёт совпадать с силой тяжести:

P=m(g+a), где +, если а ↑

-, если а ↓

Билет 22

1. Средняя скорость – это физическая величина, равная отношению вектора перемещения точки к промежутку времени Δt, за который произошло это перемещение. Направление вектора средней скорости совпадает с направлением вектора перемещения . Средняя скорость определяется по формуле:

Мгновенная скорость - это физическая величина, равная пределу, к которому стремится средняя скорость при бесконечном уменьшении промежутка времени Δt:

 

Иными словами, мгновенная скорость в данный момент времени – это отношение очень малого перемещения к очень малому промежутку времени, за который это перемещение произошло.

 

Вектор мгновенной скорости направлен по касательной к траектории движения тела (рис. 1.6).

2. Искусственные Спутники Земли (ИСЗ), космические летательные аппараты, выведенные на орбиты вокруг Земли и предназначенные для решения научных и прикладных задач. С помощью этого ИСЗ впервые была измерена плотность верхней атмосферы (по изменениям его орбиты), исследованы особенности распространения радиосигналов в ионосфере, проверены теоретические расчёты и основные технические решения, связанные с выведением ИСЗ на орбиту.

Первая космическая скорость — это минимальная скорость, при которой тело, движущееся горизонтально над поверхностью планеты, не упадёт на неё, а будет двигаться по круговой орбите.

Билет 23

1. .Отношение приращения вектора скорости промежутку времени, в течение которого произошло это приращение, называется средним ускорением

Мгновенное ускорение (или просто, ускорение) a - это вектор ускорения материальной точки в любой момент времени a=dv/dt. или мгновенное ускорение есть вторая производная по времени от радиус-вектора:

2. В динамике решают две задачи. Эти задачи называются первой или прямой, второй или обратной. Обратная задача является основной. Прямой задачей, по заданным законам
движения, определяют силы и моменты сил. Во второй задаче, по приложенным силам и моментам, вычисляют законы движения

Билет 24

1.

 

2. Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона и две его формулировки.

Первый закон Ньютона постулирует наличие такого явления, как инерция тел. Поэтому он также известен как Закон инерции. Инерция — это явление сохранения телом скорости движения (и по величине, и по направлению), когда на тело не действуют никакие силы. Чтобы изменить скорость движения тела, на него необходимо подействовать с некоторой силой. Естественно, результат действия одинаковых по величине сил на различные тела будет различным. Таким образом, говорят, что тела обладают инертностью. Инертность — это свойство тел сопротивляться изменению их текущего состояния. Величина инертности характеризуется массой тела.

В современной физике первый закон Ньютона принято формулировать в следующем виде:

Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий сохраняет величину и направление своей скорости неограниченно долго.

Ньютон в своей книге «Математические начала натуральной философии» сформулировал первый закон механики в следующем виде:

Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

Билет 25

1. Равномерное движение, движение точки, при котором численная величина её скорости v постоянна. Путь, пройденный точкой при Р. д. за промежуток времени t, равен s = vt. Твёрдое тело может совершать поступательное Р. д., при котором всё сказанное относится к каждой точке тела, и равномерное вращение вокруг неподвижной оси, при котором угловая скорость тела со постоянна, а угол поворота тела j = wt.

2. третий закон ньютона Современная формулировка

Материальные точки взаимодействуют друг с другом силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению: F12=-F21

Закон отражает принцип парного взаимодействия. То есть все силы в природе рождаются парами.