Przemieszczamy ciężkie przedmioty
Kiedy starożytni Egipcjanie rozpoczęli budowę piramid, napotkali poważne trudności. Musieli znaleźć sposób, jak przenieść ogromne kamienne bloki. Były za ciężkie, by je po prostu podnieść. Wykorzystali więc do tego sanie wyposażone w gładkie płozy, co ułatwiało transport. W ten sposób poradzili sobie z tym samym zjawiskiem, które pozwala nam chodzić lub trzymać różne przedmioty – jest to tarcie.
który z przedmiotów: ciężkie pudełko kartonowe czy lekkie pudełko kartonowe trudniej jest przesunąć,
dlaczego przedmiot (wykonany np. z plastiku, metalu, czy szkła) trzymany w spoconej dłoni może się łatwo z niej wysunąć.
Rozróżnisz pojęcia tarcia i oporu.
Omówisz znaczenie siły tarcia w życiu codziennym.
Określisz sposoby zmniejszania i zwiększania tarcia i oporu.
Wskażesz przyczyny oporów ruchu.
Zaplanujesz doświadczenie sprawdzające od czego zależy siła tarcia.
Objaśnisz sposób działania maszyn prostych: dźwigni i bloczka.
Uciążliwe tarcie
Jeśli zdarzyło ci się widzieć, jak dorośli przesuwają ciężkie meble, np. szafę, to wiesz, że nie jest to proste zadanie. Na początek dobrze jest wypakować wszystkie przedmioty z mebla, który chcemy przesunąć. Zmniejszymy wówczas jego masę, a więc i jego ciężar. Co to daje? Otóż, żeby ruszyć mebel, trzeba przezwyciężyć siłę, z jaką naciska ona na podłogę. (Tarcie przesuwne jest mniejsze od tarcia tocznego.) Chcąc przesunąć jedną powierzchnię po drugiej, zawsze napotykamy na pewien opór. To właśnie tarcietarcie, któremu musimy się przeciwstawić. Występuje ono zawsze tam, gdzie stykają się dwie powierzchnie, które chcemy przemieścić względem siebie. Przyczyną powstawania tarcia jest to, że nie ma powierzchni idealnie gładkich.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R18ow7GId8rX9
Film animowany przedstawia hokeistę na lodowisku, który za pomocą kija hokejowego wprowadza w ruch krążek.
Czynniki wpływające na siłę tarcia to:
siła nacisku – im większa będzie siła nacisku wywierana przez jedno ciało (czyli dowolny obiekt) na drugie, tym większa będzie siła tarcia występująca na ich styku, dlatego lżejsze rzeczy łatwiej jest przesunąć;
rodzaj powierzchni stykających się obiektów – im bardziej chropowate i nierówne są powierzchnie, którymi stykają się obiekty, tym trudniej je przesunąć, tarcie nie zależy od pola powierzchni styku.
W przypadku bardzo gładkich powierzchni występują silne oddziaływania międzycząsteczkowe - siły wzajemnego przyciągania działające pomiędzy cząsteczkami obu powierzchni znajdujących się w bardzo bliskiej odległości od siebie. To powoduje, że bardzo trudno jest je przesuwać np. dwie leżące jedna na drugiej szklane płytki.
Tarcie statyczne a tarcie kinetyczne
Tarcie występuje zarówno podczas wprawiania ciał w ruch i w trakcie ruchu.
Jeżeli stykające się ze sobą ciała nie są względem siebie w ruchu to mówimy o tarciu statycznym (spoczynkowym), w przeciwnym wypadku mamy do czynienia z tarciem kinetycznym (dynamicznym).
Z tarciem statycznym mamy do czynienia wtedy, gdy ciało spoczywa, tzn. gdy wartość jego prędkości jest równa zero. Jest to np. sytuacja, kiedy mamy zbyt mało siły by przesunąć ciężką szafę. W tarciu statycznym siła tarcia jest równa sile, jaką trzeba przyłożyć do danego ciała, by zaczęło się ono poruszać.
W momencie, gdy uda nam się poruszyć szafę mówimy o tarciu kinetycznym. Po rozpoczęciu ruchu, siła tarcia zmniejsza się. W tarciu kinetycznym siła tarcia jest równa sile potrzebnej do utrzymania ciała w ruchu ze stałą prędkością.
Podczas tarcia dochodzi do powstawania dużych ilości ciepła. Gdy pocierasz dłonie o siebie, czujesz ciepło. Dlaczego? Energia ruchu twoich dłoni poprzez tarcie została zamieniona na ciepło. W tym przypadku jest to efekt pożądany, natomiast w przypadku pracy różnych maszyn to zjawisko może doprowadzić do uszkodzenia urządzenia, a nawet jego zapłonu.
Gdy zostaje pokonana siła tarcia kinetycznego oprócz tego, że wydziela się ciepło, następuje także ścieranie się trących powierzchni (czasem trudno dostrzegalne, a czasem łatwo widoczne).
Zwiększanie i zmniejszanie tarcia
Często w naszym życiu tarcie jest zjawiskiem, które przeszkadza nam w wykonywaniu różnych czynności i chcemy je zmniejszyć, najbardziej jak to możliwe. Ale czy tak jest zawsze? Może tarcie czasami jednak nam się przydaje?
W przypadku, gdy chcemy przesuwać jakieś przedmioty, w szczególności te ciężkie, zależy nam na zmniejszeniu tarcia. Podczas tarcia od substancji odrywają się pojedyncze drobiny, co może prowadzić do zupełnego zniszczenia przedmiotów lub mechanizmów. Dlatego czasami należy zmniejszyć tarcie. Do tego celu używa się najczęściej smarów i olejów – np. w silnikach samochodowych. Olej silnikowy zabezpiecza ruchome elementy silnika przed zniszczeniem, dzięki czemu mogą one działać dłużej. Niekiedy podkładamy różne materiały, które wykazują mniejsze tarcie względem podłoża, np. koc czy ręcznik – to także ułatwia przesuwanie przedmiotów.
Tarcie zmniejszymy również, gdy zamiast przedmiot przesuwać, będziemy go toczyć. Inną metodą obniżenia siły tarcia jest zmniejszenie masy przedmiotów, to jest siły nacisku na powierzchnię. Możemy także spróbować maksymalnie wygładzić powierzchnie, które mają stykać się ze sobą, np. przez ich oszlifowanie.
Czasami trzeba uzyskać stabilność i przyczepność, np. w przypadku opon samochodowych. Wówczas tarcie należy zwiększyć. Można to osiągnąć poprzez wykonanie nierówności na powierzchni. Dzięki zjawisku tarcia możliwe jest też bezpieczne hamowanie.
Na dłoniach człowieka znajdują się linie papilarne. Działają one jak bieżnik opony samochodowej: zwiększają tarcie i umożliwiają chwytanie nawet gładkich i śliskich przedmiotów. Dzięki nim możesz na przykład utrzymać w ręku długopis.
Opowiedz, jak zmieniłoby się twoje życie, gdyby nie było tarcia. Wymień te czynności, które byłyby trudne lub niemożliwe do wykonania.
Siły oporu
Z tarciem związane są siły oporów ruchuoporów ruchu. Są to wszystkie siły, które musimy pokonać, gdy chcemy, aby obiekty się poruszały. Na przykład silnik samochodu musi cały czas pracować, jeśli zależy nam na tym, aby pojazd jechał. Gdy tylko wyłączymy silnik, samochód natychmiast zwalnia. Dzieje się tak, ponieważ w różnych elementach samochodu występują siły tarcia, np. podczas obrotu osi kół, ale także dlatego, że samochód porusza się w otoczeniu powietrza. Podobnie płynąc łódką, musimy cały czas wiosłować, jeśli chcemy poruszać się naprzód. Woda i powietrze, czyli ośrodkiośrodki otaczające (substancje, które otaczają interesujące nas obiekty), stawiają opór poruszającemu się obiektowi.
Od czego zależy siła oporu?
Jest większa, im większe jest ciało.
Rośnie wraz z prędkością ciała względem ośrodka.
W jakich ośrodkach opory ruchu są większe i od czego zależą?
wanna,
plastikowa deska kuchenna (jeśli takiej nie ma, ostatecznie można użyć drewnianej).
Weź do ręki deskę. Wystaw rękę z deską w górę tak, aby była ustawiona prostopadle do kierunku ruchu, i przebiegnij w ten sposób kilkanaście metrów. Czynność tę wykonaj w ośrodku jakim jest powietrze.
Obróć deskę tak, aby była zwrócona krawędzią do kierunku ruchu, i ponownie przebiegnij kilkanaście metrów. Przy jakim ustawieniu deska stawiała większy opór?
Włóż deskę do wanny z wodą i poruszaj nią tak, by jej powierzchnia była ustawiona prostopadle do kierunku ruchu. Następnie poruszaj nią tak, by jej powierzchnia była ustawiona równolegle do kierunku ruchu.
Wnioski: Opór ruchu zależy od kształtu przedmiotu oraz od ośrodka, w którym się odbywa. Im większa gęstość otaczającego ciało ośrodka, tym większy opór. Im mniejsza powierzchnia, tym przedmiot stawia mniejszy opór.
Porównaj kształt małego samochodu terenowego typu SUV, z sylwetką samochodu sportowego, wyścigowego. Wyjaśnij, dlaczego samochody wyścigowe różnią się swoim kształtem od innych samochodów jeżdżących po ulicach.
Im większa gęstość otaczającego ciało ośrodka, tym większy opór. Dlatego w powietrzu łatwiej się poruszać. Duże znaczenie ma także kształt przedmiotu: ustawienie powierzchni deski prostopadle do kierunku ruchu skutkowało zwiększeniem oporów, a ustawienie krawędzią w kierunku ruchu – ich zmniejszeniem. Mówimy, że kształt stał się opływowy, gdyż umożliwiał lepszy opływ drobin ośrodka wokół obiektu.
Opływowe kształty są bardzo częste w świecie zwierząt: dzięki takim kształtom ryby mogą szybko pływać, a ptaki – latać. Podglądając zwierzęta, ludzie także zaczęli budować pojazdy tak, aby doznawały jak najmniejszych oporów ruchu. Samoloty i ich kadłuby wzorowane są na sylwetkach ptaków, kadłuby łodzi podwodnych przypominają swym kształtem ryby. Jednak nie tylko to, co porusza się w powietrzu czy w wodzie, musi mieć jak najbardziej opływowy kształt. Nawet nadanie samochodowi opływowego kształtu pozwala na zmniejszenie oporu powietrza, a to ma wpływ na zużycie paliwa. Czasami jednak zwiększenie oporów też się przydaje.
Rekiny mają skórę szorstką jak papier ścierny. Wbrew pozorom nie zwiększa to oporu ryby w wodzie. Przeciwnie: nierówności na skórze rekina tworzą drobne zawirowania wody, dzięki czemu rekin pływa w bardzo cienkiej warstwie piany. Piana stawia dużo mniejszy opór niż woda.
Na filmach i zdjęciach z kosmosu widać, że statki kosmiczne bardzo często poruszają się bez użycia silników. Dlaczego napęd nie jest im potrzebny?
Jak jeszcze ułatwić przenoszenie ciężarów?
Zastanawiając się, co zrobić, aby przenieść duży ciężar i zminimalizować siłę tarcia, często zapominamy o pewnych sposobach, które znane były już starożytnym Egipcjanom. Korzystali oni z takich wynalazków, jak dźwignia czy bloczek. Te proste maszyny ułatwiają nam życie także dziś.
Za pomocą urządzenia, jakim jest dźwigniadźwignia dwustronna, możemy podnosić duże ciężary. Im dłuższe ramię dźwigni, na które naciskamy, i im krótsze ramię, na którym spoczywa podnoszony przedmiot, tym mniejszej siły musimy użyć do jego podniesienia.
Aby przetransportować ciężki przedmiot na wyższe piętro, nie trzeba podnosić go wprost z ziemi. Zamiast tego możemy wykorzystać bloczekbloczek lub układ kilku bloczków. Dzięki temu wciągniemy ciężar na dużą wysokość.
Podsumowanie
Tarcie to siła powstająca podczas przesuwania dwóch stykających się powierzchni.
Opory ruchu powstają podczas poruszania się obiektu w ośrodku, np. wodzie i powietrzu.
Tarcie i opory ruchu można zwiększać, kiedy jest to potrzebne, lub zmniejszać, kiedy siły te nam sprzeszkadzają.
Dźwignia dwustronna i bloczki to proste maszyny, dzięki którym możemy wykonać tę samą pracę, działając mniejszą siłą.
Praca domowa
W dowolnych źródłach wyszukaj informacje, jakie cechy budowy pozwalają ptakom i rybom zmniejszyć opór ośrodka. Spróbuj dowiedzieć się, czy któreś z nich naśladuje człowiek, budując środki transportu (samoloty, statki).
Wypisz, w jakich sytuacjach wykorzystuje się bloczki i dźwignie proste. Podaj znane ci przykłady z życia codziennego lub z budowy maszyn.
Słownik
prosta maszyna służąca do podnoszenia ciężarów za pomocą liny przerzuconej przez krążek osadzony na osi, co umożliwia jego obrót; na krążku znajduje się nacięcie, przez które przesuwa się lina
urządzenie, które umożliwia uzyskanie działania większej siły przez zastosowanie siły mniejszej
siły przeciwdziałające ruchowi ciała w ośrodku (cieczy lub gazie)
w fizyce jest to przykład cieczy lub gazu, w którym przemieszcza się dany obiekt
opór podczas przesuwania dwóch stykających się powierzchni i przemieszczających się względem siebie; tarcie zależy od rodzaju materiałów, siły nacisku
Zadania
Wskaż zdanie prawdziwe.
- Opory ruchu to wszystkie siły przeciwdziałające poruszaniu się ciał.
- Opory ruchu to siły działające tylko na powierzchni styku dwóch wzajemnie poruszających się ciał.
- Tarcie to wszystkie siły przeciwdziałające poruszaniu się ciał.
Występowanie tarcia wynika z Możliwe odpowiedzi: 1. występowania na powierzchni ciał smarów., 2. tego, że ciało zbudowane jest z metalu., 3. nierówności powierzchni przesuwających się względem siebie.
Występowanie tarcia wynika z
- występowania na powierzchni ciał mikroskopijnych kropelek wody.
- tego, że ciało zbudowane jest z metalu.
- nierówności powierzchni przesuwających się względem siebie.
W powietrzu łatwiej się poruszać ponieważ Możliwe odpowiedzi: 1. powietrze ma gęstość mniejszą od wody i mniejszy opór., 2. w powietrzu jest więcej czynników składających się na opór środowiska., 3. cząsteczki gazów w powietrzu zmniejszają opór a zwiększają tarcie o powierzchnie przedmiotów., 4. powietrze ma większą gęstość niż woda, a tym samym mniejsze tarcie.
Uzupełnij zdanie: Każdemu ruchowi ciał przeciwdziała
- opór ruchu.
- bloczek.
- ślizganie się.
- smary.