Как определить работу силы трения

Фраза «сила трения совершила работу 0,6 Дж» без знака и пояснения может запутать. При скольжении в обычном опыте трение совершает отрицательную работу, потому что действует против перемещения. Иногда в задании просят вычислить «работу против силы трения»; тогда записывают положительную величину затраченной на преодоление трения работы. Численные модули в простой модели совпадают, но физический смысл записей различается.

Цель работы и оборудование

Цель можно записать так: «Определить работу силы трения при перемещении бруска на заданное расстояние». Подготовьте брусок с крючком, динамометр, ровную горизонтальную дорожку и линейку или рулетку. Для сравнения двух вариантов учитель может дать разные поверхности или дополнительные грузы. В этом случае каждой поверхности и нагрузке нужна отдельная строка таблицы.

Перед началом проверьте предел измерения и цену деления динамометра. Если брусок тяжёлый, а прибор рассчитан на меньшую силу, замените его по указанию учителя. На дорожке обозначьте начальную и конечную точки; расстояние между ними будет путём s только при движении по прямой. Не берите длину всей поверхности, если брусок прошёл лишь её часть.

Если в предыдущей работе вы уже измеряли силу трения скольжения этого бруска на этой же поверхности при той же нагрузке, данные можно использовать только тогда, когда условия совпадают и учитель разрешает такой перенос. При другом грузе, другой поверхности или заметно другом способе тяги силу нужно измерить заново.

Как получить силу трения из показания прибора

Прикрепите динамометр к бруску и тяните почти горизонтально, без рывков. В начале брусок может сопротивляться сильнее: это участок трения покоя. После начала скольжения постарайтесь поддерживать примерно постоянную скорость и считайте устойчивое показание во время движения. На горизонтальной дорожке при такой скорости сила тяги по модулю приблизительно равна силе трения скольжения.

Равенство здесь связано с равновесием сил вдоль движения. Если брусок ускоряется, часть силы тяги идёт на изменение его скорости; показание динамометра нельзя целиком приравнять к трению. Если вы остановились посреди участка, снова потянули и получили новый стартовый пик, такое измерение не следует выдавать за одно равномерное скольжение. Повторите проход и запишите особенности опыта.

При заметном колебании стрелки проведите несколько попыток на том же пути и с той же нагрузкой. Сохраните отдельные результаты. Если учитель просит среднюю силу, её можно оценить по повторениям, но не выбирайте только самый удобный отсчёт. Когда сила заметно меняется вдоль пути, среднее показание требует более аккуратного определения; в школьном опыте обычно выбирают условия, при которых оно примерно постоянно.

Как измерить путь

Измерьте расстояние между двумя метками вдоль прямой дорожки и переведите его в метры. Например, 50 см — это 0,50 м, а не 50 м. Если брусок двигался по изгибающейся траектории, прямое расстояние между началом и концом не равно пройденному пути. Для простого расчёта силы трения удобнее прямой участок.

Путь должен относиться к тому отрезку, где вы наблюдали скольжение и измеряли силу. Если динамометр показывал 1,2 Н только на средней части, а в расчёт подставили длину всей дорожки вместе с разгоном и остановкой, результат может не описывать опыт. Лучше заранее отметить рабочий участок и отдельно пройти его с примерно постоянной скоростью.

Если в задании есть сравнение двух путей, оставьте поверхность и нагрузку прежними. Тогда при приблизительно одинаковой силе трения модуль отрицательной работы будет возрастать пропорционально пути. Но если при более длинном проходе сила изменилась, вычислите работу каждого участка по его данным и обсудите причину различия.

Расчёт на условных данных

Предположим, в придуманном учебном примере при ровном скольжении динамометр показывал 1,2 Н, а брусок прошёл 0,50 м. Модуль работы трения равен 1,2 · 0,50 = 0,60 Дж. Поскольку сила трения направлена противоположно перемещению, её работа записывается как Aтр = −0,60 Дж. Работа силы тяги при тех же условиях приблизительно +0,60 Дж, если она направлена вдоль движения и скорость примерно постоянна.

Эти числа нужны для разбора формулы. В собственный отчёт подставьте измеренные силу и путь, даже если получилось не такое «красивое» значение. Ответ в джоулях возникает потому, что Н · м = Дж; если путь оставлен в сантиметрах, единицы результата ещё не будут джоулями.

Что означает отрицательная работа

Сила тяги передаёт энергию бруску, а сила трения мешает его движению. Если брусок скользит с постоянной скоростью по горизонтали, его кинетическая энергия не растёт, хотя человек или механизм всё время совершает положительную работу. Энергия не исчезает: в реальном опыте поверхности нагреваются, возникают деформации и другие процессы. Для школьного расчёта достаточно понять знак и сопоставить работу тяги с работой трения.

Не следует писать, что отрицательная работа означает «отрицательное количество тепла» или «сила трения равна минус 1,2 Н». Модуль силы — положительная величина. Минус относится к работе и появляется из-за противоположных направлений силы и перемещения. Если в вашем учебнике для «работы по преодолению трения» используют положительное число, назовите его именно так.

На наклонной плоскости простой вывод «показание динамометра равно силе трения» уже неверен: вдоль плоскости действует и составляющая силы тяжести. Если задание связано с наклонной плоскостью, понадобится отдельный баланс сил или сравнение затраченной и полезной работы. Обычный опыт с горизонтальным столом нельзя переносить туда без поправок.

Что проверить, если результат кажется странным

Проверьте, не взяли ли стартовый пик вместо показания при скольжении, и не менялась ли скорость. Убедитесь, что в таблице расстояние от начальной до конечной метки записано в метрах. Если модуль работы получился очень большим для перемещения на школьном столе, ошибка перевода сантиметров в метры вероятнее, чем необычное свойство бруска.

Сравните пары условий. Если вы увеличили путь вдвое при той же поверхности и нагрузке, а модуль работы почему-то уменьшился, посмотрите на измеренные силы: одинаковыми ли они были? Если нет, нельзя объяснять изменение только длиной пути. При изменении материала поверхности или веса бруска тоже нужно учитывать новое значение силы трения.

По цене деления динамометра и линейки оцените точность результата по требованиям учителя. Из записи «1 Н» и «0,5 м» не получается обоснованный ответ с шестью знаками после запятой. Не скрывайте разброс повторных отсчётов округлением исходных данных до «удобного» числа.

Пример вывода и проверочный список

Вывод по условному примеру может звучать так: «При перемещении бруска на 0,50 м измеренная сила тяги во время примерно равномерного скольжения составляла 1,2 Н. Её приняли равной силе трения по модулю. Модуль работы трения равен 0,60 Дж, а работа самой силы трения составляет −0,60 Дж, потому что она направлена против движения». Если ваш брусок ускорялся, такую формулировку без оговорки использовать нельзя.

Перед сдачей проверьте, что сила взята во время скольжения, а не до его начала; путь относится к тому же участку; в расчёте стоят ньютоны и метры; знак работы объяснён; вывод повторяет ваши данные, а не условные цифры. Опыты о трении и простых механизмах собраны в навигаторе лабораторных работ по физике для 7 класса. Состав темы соответствует федеральной рабочей программе по физике.