Temat

Od czego zależy siła tarcia?

Etap edukacyjny

Drugi

Podstawa programowa

I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości. Uczeń:

2) wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu.

II. 11) rozpoznaje i nazywa siły, podaje ich przykłady w różnych sytuacjach praktycznych (siły: ciężkości, nacisku, sprężystości, oporów ruchu).

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Prezentowanie sił tarcia.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Rozpoznawanie przyczyn występowania sił tarcia.

2. Określanie od czego zależy siła tarcia.

3. Określanie pozytywnych i negatywnych skutków występowania sił tarcia.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- rozpoznaje przyczyny i skutki występowania sił tarcia,

- określa sposoby zmian siły tarcia.

Metody kształcenia

1. Ćwiczenia uczniowskie.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca z całą klasą.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Polecenie 1

Odpowiedz na pytania:

1. Dwa ciała stykają się ze sobą i przemieszczają jedno po drugim. W którym miejscu występują opory ruchów?
2. Jakie znasz sposoby zmian oporów ruchu koła rowerowego?
3. Podaj przykład z życia codziennego, w którym potrzebne są małe opory ruchu.
4. Podaj przykład z życia codziennego, w którym korzystne są duże opory ruchu.
5. Jak sądzisz dlaczego zimowe opony samochodowe są węższe od letnich?

Odpowiedź:

1. Opory ruchu występują w tych miejscach, gdzie oba przemieszczające się ciała stykają się wzajemnie powierzchniami.

2. Opory toczenia kół roweru zmniejszają się przede wszystkim poprzez napompowanie koła, zastosowanie smarowanych łożysk kulkowych oraz smarowanie łańcucha roweru. Podobnie w samochodzie smaruje się części ruchome, głównie łożyska.

3. Małe opory ruchu potrzebne są podczas obracania się osi kół w łożyskach. Małe opory ruchu potrzebne są w zawieszeniu ruchomych bram wjazdowych.

4. Duże opory ruchu potrzebne są podczas układania stosu przedmiotów w magazynie, podczas hamowania w hamulcu kół pojazdu.

5. Zimą, kiedy jezdnia może być znacznie bardziej śliska niż latem zakłada się węższe opony. Węższa opona to mniejsza powierzchnia styku samochodu i jezdni. Całkowita masa samochodu jest stała niezależnie od szerokości opony, jednakże rozkłada się ona na mniejszą powierzchnię. Siła nacisku przypadająca na cmIndeks górny 2² powierzchni styku jest większa, stąd siła tarcia też jest większa.

Realizacja lekcji

Polecenie 2

Zapoznaj się z rozkładem sił przedstawionym na ilustracji interaktywnej.

[Ilustracja interaktywna]

Wyobraźmy sobie, ze chcemy przesunąć szafę z jednego miejsca w pokoju na drugie. Używamy siły własnych mięśni, aby ją przemieścić jednakże nie jest to łatwe.

Opór, który pojawia się podczas próby ruszenia szafy z miejsca, nazywamy tarciem statycznym. Siła tarcia statycznego równoważy siłę, która wymusza przemieszczenie szafy. Dzieje się tak, aż do momentu gdy wartość siły tarcia statycznego osiąga wartość maksymalną i szafa zacznie się przesuwać. Obydwie siły mają ten sam punkt przyłożenia, kierunek oraz wartość, lecz są przeciwnie zwrócone.

Kiedy ciało przesuwa się, tarcie również występuje. Ma ono jednak mniejszą wartość niż maksymalna siła tarcia statycznego. Tarcie występujące podczas przesuwania ciała nazywamy tarciem kinetycznym.

Siłę tarcia oznaczamy najczęściej symbolem $\overrightarrow{F_T}$ lub $\overrightarrow{T}$ i wyrażamy w jednostkach siły – niutonach [N].

Polecenie 3

Obejrzyj pokaz slajdów „Własności siły tarcia” i podaj wnioski wynikające z przedstawionych rysunków.

[Slideshow]

Wnioski:

1. Tarcie występujące pomiędzy ciałem nieruchomym a podłożem jest to tarcie statyczne.
2. Tarcie występujące pomiędzy ciałem poruszającym się a podłożem jest to tarcie kinetyczne.
3. Ze wzrostem siły nacisku ciała poruszającego się po tym samym podłożu następuje wzrost siły tarcia.
4. Dla różnych materiałów, z których wykonane jest podłoże, po którym porusza się ciało, siła tarcia może maleć lub rosnąć.
5. Siła tarcia zależy od ciężaru ciała i od rodzaju podłoża, po którym się ciało porusza.

W celu obliczenia siły tarcia posługujemy się następującym wzorem:

gdzie:

$\stackrel{}{F_N}$ – siła nacisku,

$\stackrel{}{F_T}$ – siła tarcia,

$f$ - współczynnik tarcia.

Definicja:

Współczynnik tarcia kinetycznego zależy od rodzaju trących o siebie powierzchni. Nie posiada on jednostki – możemy to zauważyć po przekształceniu wzoru na wartość siły tarcia:

Współczynnik tarcia jest wielkością niemianowaną – nieposiadającą jednostki fizycznej (miana).

Polecenie 4

Korzystając z poniższej tabeli oblicz:

a) wartość siły nacisku narciarza jadącego po śniegu jeżeli siła tarcia wynosi 32 N,

b) wartość siły tarcia jadącego rowerzysty po mokrym betonie, jeżeli masa rowerzysty wynosi 54 kg a roweru 15 kg.

[Tabela 1]

Odpowiedź:

a)

Dane:

$F_T=32N$

$f_k=0,04$

Szukane:

$F_N=?$

$F_N=\frac{F_T}{f_k}=\frac{32N}{0,04}$

$F_N=800N$

Odpowiedź:

Nacisk narciarza na podłoże jest 800 N.

b) Dane:

$m_1=54kg$

$m_2=15kg$

$f_k=0,5$

$g=10\frac{m}{s^2}$

Szukane:

$F_T=?$

Ciężar rowerzysty wraz z rowerem:

$Q=(54kg+15kg)\cdot 10\frac{m}{s^2}$

$Q=690N$

Ciężar rowerzysty z rowerem jest równy sile nacisku FIndeks dolny N_N:

$F_N=Q=690N$

$F_T=f_k\cdot F_N=0,5\cdot 690N$

$F_T=345N$

Odpowiedź:

Siła tarcia rowerzysty jadącego po mokrym betonie jest 345 N.

Podsumowanie lekcji

- Tarcie – siła występująca między powierzchniami stykających się ciał stałych. Siła tarcia jest skierowana zawsze przeciwnie do zwrotu prędkości, z jaką przemieszcza się ciało. Tarcie związane z przesuwaniem ciała po powierzchni (tarcie poślizgowe) jest nieco większe podczas wprawiania ciała w ruch niż wówczas, gdy ciało w takim ruchu już się znajduje. Z tego powodu tarcie dzielimy na: statyczne i kinetyczne.
- Siła tarcia statycznego pojawia się wraz z pojawieniem się siły próbującej wprawić ciało w ruch względem podłoża.
- Siła tarcia kinetycznego działa między powierzchnią poruszającego się ciała a powierzchnią podłoża. Ma ona kierunek zgodny z kierunkiem przemieszczania się ciała, a jej zwrot jest przeciwny do zwrotu wektora prędkości tego ciała.
- Siła tarcia kinetycznego zależy od nacisku ciała na podłoże oraz od rodzaju materiałów, z jakich wykonane są stykające się powierzchnie.
- Do obliczenia sił tarcia możemy posłużyć się następującym wzorem:

gdzie:

$\stackrel{}{F_N}$ – siła nacisku,

$\stackrel{}{F_T}$ – siła tarcia,

$f$ - współczynnik tarcia.

- Współczynnik tarcia opisuje rodzaj trących o siebie powierzchni i nie ma jednostki.
- Współczynnik tarcia wyznaczamy doświadczalnie.