03-д. Сила упругости и сила трения
§ 03-д. Сила упругости и сила трения
Мы уже познакомились с силами упругости и трения качественно, теперь рассмотрим их количественно, с привлечением формул.
Сила упругости возникает в любом теле, если менять его форму и/или размеры. Например, сжимая пластилин или глину, мы чувствуем их противодействие — это сила упругости. Она не зависит от того, насколько пластилин или глина уже сжаты. Иное дело, если мы возьмём резиновый шарик либо стальную пружину. Чем больше мы будем их сжимать или растягивать, тем большая сила упругости будет возникать (см. рисунок).
Продолжим опыт с гирями и динамометром, рассмотренный в предыдущем параграфе. С помощью линейки будем измерять удлинение пружины Δl, равное разности её конечной и начальной длины: l – l0. Мы обнаружим, что возникающая сила упругости прямо пропорциональна модулю изменения длины пружины:
Коэффициент k характеризует жёсткость пружины. Поясним его смысл. Пусть, например, мы растянули пружину динамометра на 5 см, и в ней возникла сила упругости 2 Н. Тогда жёсткость этой пружины равна: k = 2 Н : 0,05 м = 40 Н/м. Допустим теперь, что мы взяли пружину из более толстой проволки. Приложив к ней такую же силу 2 Н, мы заметим меньшее растяжение, например 1 см. Тогда жёсткость такой пружины будет больше: k = 2 Н : 0,01 м = 200 Н/м.
Более углублённо мы рассмотрим силу упругости в 9 классе.
Как вы уже знаете (см. § 3-б), сила трения бывает двух видов — трения скольжения и трения покоя. При участии жидкостей или газов сила трения покоя всегда равна нулю, а вместо термина «сила трения скольжения» чаще употребляют термин «сила сопротивления движению». Формулы, описывающие трение с участием жидкостей и газов, сложны, поэтому мы рассмотрим только формулу для силы трения скольжения твёрдого тела по поверхности другого твёрдого тела.
Проделаем опыт. Деревянный брусок весом 2 Н будем равномерно тянуть по горизонтальной доске, измеряя силу трения. Сверху на брусок будем ставить грузики по 1 Н, увеличивающие вес бруска. Результаты опыта занесём в таблицу:
Результаты эксперимента со скольжением деревянного бруска по горизонтальной доске.
| Количество грузиков, шт. | — | 1 | 2 | 3 |
| Вес бруска с грузиками | 2 Н | 3 Н | 4 Н | 5 Н |
| Сила трения скольжения | 0,6 Н | 0,9 Н | 1,2 Н | 1,5 Н |
Из сравнения нижних пар значений двух сил видно, что возникающая сила трения скольжения пропорциональна силе давления на опору (в нашем случае — действующему на доску весу бруска и грузиков). Эта закономерность выражается формулой:
Взяв любую пару значений сил, мы подсчитаем коэффициент трения скольжения деревянного бруска по деревянной доске в нашем опыте. Например, μ = 0,6 Н : 2 Н = 0,9 Н : 3 Н = 1,2 Н : 4 Н = 1,5 Н : 5 Н = 0,3. То есть μ = 0,3. Этот коэффициент показывает, что сила трения скольжения в нашем опыте составляет 3/10 от силы давления на опору.
Случаи негоризонтальных поверхностей мы рассмотрим в 9 классе.