Природа силы трения. Экспериментальное исследование свойств силы трения, выполненное учащимися, дает хороший материал для проведения урока с использованием метода проблемного обучения. Вариант изучения этой темы на основе использования метода проблемного обучения рассмотрен в главе 1, п. 2 «Проблемное обучение». В учебнике представлен вариант изучения темы, основанный на выполнении учащимися самостоятельных экспериментальных исследований. Если выполнение фронтальных лабораторных работ оказывается невозможным, то после проведения демонстрационных опытов можно предложить учащимся задачи по этой теме. Однако это не лучший вариант, так как многие учащиеся в 7 классе при решении задач испытывают затруднения. Задача 19.1. Стул массой 4 кг на горизонтальном полу движется равномерно и прямолинейно под действием силы 24 Н. Определите коэффициент трения. Решение. Коэффициент трения равен μ= F тр N = F тр mg = 24 4⋅9,8 ≈0,6 . Задача 19.2. Ваза массой 3 кг стоит на горизонтальном столе. Коэффициент трения равен 0,5. Вычислите значение силы трения между вазой и столом при действии на эту вазу силы 6 Н, направленной параллельно плоскости стола. Как изменится сила трения при увеличении действующей силы до 12 Н? Решение. Для решения задачи нужно сначала выяснить, достаточна ли приложенная сила для приведения вазы в движение. Если приложенная сила больше максимального значения силы трения покоя, то ваза будет двигаться и значение силы трения будет равно:
Fтр = μN = μmg.
Если приложенная сила меньше максимального значения силы трения покоя, то ваза не будет двигаться и значение силы трения будет равно приложенной силе. Максимальное значение силы трения покоя равно:
Fтр. max = μN = μmg = 0,5 · 3 · 9,8 Н ≈ 14,7 Н.
Приложенная сила меньше максимального значения силы трения покоя, значит, ваза не будет двигаться. Значение силы трения покоя равно приложенной силе 6 Н. При увеличении действующей силы до 12 Н сила трения покоя увеличится до 12 Н. Задача 19.3. Тарелка массой 0,5 кг стоит на горизонтальном столе. Коэффициент трения равен 0,6. Вычислите значение силы трения между тарелкой и столом при действии на тарелку силы 2 Н, направленной параллельно плоскости стола. Как изменится сила трения при увеличении действующей силы до 4 Н? Решение. Для решения задачи нужно сначала выяснить, достаточна ли приложенная сила для приведения тарелки в движение. Если приложенная сила больше максимального значения силы трения покоя, то тарелка будет двигаться и значение силы трения будет равно:
Fтр = μN = μmg.
Если приложенная сила меньше максимального значения силы трения покоя, то тарелка не будет двигаться и значение силы трения будет равно приложенной силе. Максимальное значение силы трения покоя равно:
Fтр. max = μN = μmg = 0,6 · 0,5 · 9,8 Н ≈ 2,9 Н.
Приложенная сила меньше максимального значения силы трения покоя, значит, тарелка не будет двигаться. Значение силы трения покоя равно приложенной силе 2 Н. При увеличении действующей силы до 4 Н она превысит максимальное значение силы трения, поэтому тарелка движется и на нее действует сила трения скольжения, равная 2,9 Н. Задача 19.4. Кирпич лежит на полу на стороне площадью 300 см2. Для его равномерного перемещения по полу в этом положении необходимо приложить силу 40 Н, параллельную полу. Какую силу, параллельную полу, необходимо приложить к этому кирпичу для его равномерного перемещения по полу, если он будет лежать на другой стороне площадью 150 см2? Решение. Сила трения не зависит от площади соприкосновения тела с поверхностью другого тела, поэтому необходимо приложить такую же силу, как в первом случае, 40 Н. Задача 19.5. Для равномерного перемещения кирпича массой 6 кг по полу необходимо приложить силу 30 Н, параллельную полу. Какую силу, параллельную полу, необходимо приложить к кирпичу для его равномерного перемещения по полу, если на него сверху положить гирю массой 4 кг? Решение. Для равномерного перемещения кирпича необходимо приложить к нему силу, равную силе трения скольжения:
F = Fтр = μN = μmg.
Сила трения прямо пропорциональна силе нормального давления, поэтому сила трения во втором случае увеличится. Для вычисления силы трения во втором случае найдем значение коэффициента трения по данным задачи для первого случая:
F тр1 =μ m 1 g, μ= F тр1 m 1 g . Во втором случае масса m равна сумме массы m1 кирпича и массы m2 гири: m = m1 + m2. Подставляем полученные выражения для коэффициента трения и массы в первую формулу и вычисляем значение силы:
F=μmg= F тр1 m 1 g ( m 1 + m 2 )g= 30 6 (6+4) Н=50 Н . Задача 19.6. Автомобиль массой 800 кг под действием постоянной силы трения уменьшил свою скорость от 10 м/с до 0 за 4 с. Определите силу трения, действующую на автомобиль. Решение. Силу трения можно определить по вызванному ею изменению скорости тела в единицу времени:
F=m Δυ Δt , F=800⋅ 10 4 Н=2000 Н . Задача 19.7. Объясните, почему при небольшом наклоне доски кирпич на ее поверхности не движется под действием силы тяжести вниз, а при увеличении угла наклона скользит вниз, хотя на кирпич действует такая же сила тяжести. Решение. Представим вектор силы тяжести F → как равнодействующую двух сил, одна из которых сила F → 1 направлена перпендикулярно плоскости доски, а другая сила F → 2 направлена параллельно плоскости доски (рис. 46 и 47). Вектор силы F → 1 равен по модулю силе нормального давления N → , а вектор силы F → 2 может стать причиной движения кирпича вниз по доске, как только ее значение превысит максимальное значение силы трения покоя кирпича, равное Fтр. max = μN. Сравнение рисунков 46 и 47 для разных углов наклона доски показывает, что при увеличении угла наклона доски при одинаковом модуле вектора силы тяжести F → модуль вектора F → 1 и модуль вектора силы нормального давления N → убывают, следовательно, убывает и модуль максимального значения силы трения покоя: Fтр. max = μN.
Рис. 46
Рис. 47
Модуль вектора силы F → 2 при увеличении угла наклона доски возрастает. Поэтому при достижении некоторого значения угла наклона модуль вектора силы F → 2 превышает максимальное значение силы трения покоя Fтр. max, и кирпич скользит вниз по доске.
