Как сила трения зависит от веса тела и материала поверхности

Иногда в задании написано «зависимость силы трения от веса тела», а в учебнике встречается формула Fтр = μN, где N — сила нормальной реакции опоры. Противоречия здесь нет для обычной школьной установки: на горизонтальном столе, когда брусок ничем дополнительно не прижимают и не поднимают, N по модулю равна весу бруска. На наклонной плоскости или при тяге под заметным углом такое равенство уже не выполняется, и простой вывод по весу применять нельзя.

Цель работы и оборудование

Цель опыта — выяснить, как меняется сила трения скольжения при изменении нагрузки и характера соприкасающихся поверхностей. Понадобятся брусок с крючком, динамометр подходящего диапазона, ровная горизонтальная дорожка, груз или набор грузов и образцы поверхностей, предложенные учителем. Если измерения проводят в кабинете, используйте именно выданные материалы: мокрую, пыльную или повреждённую поверхность трудно сравнивать с сухой и чистой.

До начала проверьте нулевую отметку динамометра и его цену деления. Подвешивать или тянуть груз, который выходит за пределы шкалы, нельзя: показание будет недостоверным, а прибор можно повредить. Продумайте, какие условия останутся постоянными. Для проверки влияния нагрузки нужны один и тот же брусок и та же поверхность; для сравнения материалов — та же общая масса бруска с грузом. Скорость тяги старайтесь держать примерно одинаковой.

Запись «дерево по столу» слишком неопределённа. Уточните, какая сторона бруска обращена к какой поверхности: «нижняя деревянная грань бруска по гладкой пластиковой дорожке» или «та же грань по тканевой накладке». Если накладка сдвигается вместе с бруском, опыт нужно остановить и закрепить её по указанию учителя: иначе вы исследуете совсем другую систему.

Почему динамометр показывает силу трения не всегда

Прикрепите динамометр к бруску и тяните почти параллельно столу. В самом начале показание может вырасти: пока брусок стоит, действует трение покоя. Максимальное усилие непосредственно перед срывом — не то же самое, что сила трения скольжения во время движения. После начала движения старайтесь тянуть брусок ровно, без рывков, и считывайте устойчивое показание на участке скольжения.

Когда скорость примерно постоянна, силы вдоль движения уравновешиваются: сила тяги динамометра по модулю близка к силе трения. Если брусок ускоряется, тяга и трение уже не равны. Поэтому не берите пиковое показание при резком рывке за результат опыта. При заметных колебаниях стрелки повторите проход несколько раз, записывая значения отдельно или по правилу, данному учителем. Электронный датчик силы может показывать график; на нём для трения скольжения выбирают ровный участок движения, а не стартовый пик.

Сила измеряется в ньютонах (Н). Записывайте не просто «0,8», а «0,8 Н», и не подменяйте силу массой в граммах. Дополнительный груз увеличивает массу системы и, при обычных условиях опыта, силу её давления на стол. Если нужно указать вес в ньютонах, его измеряют или рассчитывают по условию школьной задачи; сами показания силы трения от этого не превращаются в граммы.

Как проверить влияние нагрузки

Сначала проведите брусок по выбранной поверхности без добавленного груза. Сохраните показание при ровном скольжении. Затем положите груз на брусок так, чтобы он не падал и не цеплялся за дорожку, и повторите измерение на той же поверхности. Если задание требует ещё одну нагрузку, добавьте её, не меняя нижнюю грань бруска и направление тяги.

Для сравнения удобно записывать общую массу бруска с грузом, но вывод делают по измеренной силе трения. При возможности вес системы указывают отдельно в ньютонах. На горизонтальном столе без дополнительных вертикальных сил он по модулю соответствует нормальной реакции. Значения не обязаны расти идеально пропорционально: школьные измерения ограничены точностью прибора, ровностью движения и состоянием поверхностей.

Ниже — условный учебный пример, а не результат реального опыта. Показания подобраны для демонстрации записи; в отчёте должны стоять ваши измерения.

По этим придуманным данным можно сказать: при неизменной поверхности и увеличении нагрузки измеренная сила трения скольжения в целом выросла. Нельзя по одной таблице заявлять, что для любого материала и любой массы прирост всегда одинаковый. Если ваше показание не возросло, проверьте устойчивость движения и условия опыта, а не исправляйте число ради ожидаемого вывода.

Как сравнить материалы поверхностей

Верните одну и ту же нагрузку и меняйте только дорожку: например, гладкий пластик и тканевую накладку. Брусок тяните той же стороной и примерно с той же скоростью. Если вместо дорожки меняют нижнюю грань бруска, тоже получится сравнение разных пар поверхностей, но в записи нужно назвать обе пары и не смешивать этот вариант с опытом про нагрузку.

Допустим, при общей массе 300 г в условном примере получились 0,8 Н на гладком пластике и 1,4 Н на ткани. Тогда для данных образцов и условий по ткани скольжение сопровождалось большей силой трения. Такой результат нельзя превращать в универсальное правило «ткань всегда даёт больше трения, чем пластик»: влияют конкретный материал, шероховатость, загрязнение, влажность и способ измерения. Слово «шероховатее» тоже лучше использовать осторожно: видимая шероховатость — лишь один из факторов взаимодействия поверхностей.

Такая схема помогает увидеть ошибку в опыте, если одновременно поменяли груз, дорожку и способ тяги. Тогда по одной разнице показаний уже нельзя определить, какой фактор её вызвал. Повторите измерение с одним изменённым условием.

Таблица наблюдений и обработка данных

В собственную таблицу добавьте столбец для номера попытки, если каждое условие проверяли несколько раз. Например, три измерения при одной нагрузке позволяют увидеть разброс. Если учитель разрешил вычислить среднее значение силы, сложите показания повторений и разделите на их число; исходные значения всё равно сохраните. Нельзя автоматически отбрасывать неудобную попытку. Сначала выясните, был ли рывок, остановка или сдвиг накладки, и отметьте это в записи.

Если работа требует график зависимости силы трения от нагрузки, подпишите обе оси с единицами. По горизонтали может стоять вес системы в ньютонах, по вертикали — сила трения в ньютонах. Массу в граммах нельзя подписать как «вес». Нанесите измеренные точки, а затем обсуждайте тенденцию; красивую прямую не следует проводить ценой замены реальных данных. Формула Fтр = μN описывает простую модель сухого трения скольжения, но школьный график может иметь заметный разброс.

В федеральной рабочей программе по физике для 7–9 классов предусмотрено исследование зависимости силы трения скольжения от веса тела и состояния соприкасающихся поверхностей. Конкретные размеры грузов и порядок оформления задаёт ваш учебник или учитель; номер лабораторной работы в разных комплектах различается.

Как сформулировать вывод

Вывод связывает изменение условия с результатом. Для придуманных данных он может выглядеть так: «На одной и той же дорожке при увеличении массы бруска с грузом с 200 до 400 г измеренная сила трения скольжения выросла с 0,5 до 1,0 Н. При неизменной массе 300 г на тканевой накладке она была больше, чем на гладкой пластиковой дорожке. Значит, в условиях этого опыта сила трения зависела и от нагрузки, и от пары поверхностей». В своём отчёте используйте только собственные материалы и числа.

Добавьте короткое объяснение возможного разброса, если он есть: «Показания колебались, потому что брусок двигался не совсем равномерно» или «Во время одной попытки сдвинулась накладка». Такая запись показывает, что вы понимаете границы опыта. Не называйте любые расхождения «ошибкой прибора», не проверив, что происходило при измерении.

Перед сдачей убедитесь, что стартовый пик трения покоя не записан как трение скольжения, поверхность и нагрузка указаны для каждой строки, силы выражены в ньютонах, а вывод действительно следует из таблицы. Другие задания по измерению сил собраны в навигаторе лабораторных работ по физике для 7 класса.