Исследовательская работа на тему «Сила трения и её значение в выборе обуви школьника»

Школьная научно-исследовательская конференция

«Заявка на успех»

Направление: естественнонаучное

«Сила трения и её значение
в выборе обуви школьника»

Исследовательская работа

Выполнила ученица 7 «Б» класса муниципального бюджетного образовательного учреждения

«Коношская СШ» Коношского района

Юрьева Анна Александровна

Научный руководитель - учитель муниципального бюджетного образовательного учреждения

«Коношская СШ» Коношского района

Юрьева Галина Александровна

п. Коноша, 2015

Оглавление

Введение……………………………………………………………………………….....

3

Глава 1. Обзор литературы………………………………………………………….….

4

1.1. Сила трения. Причины возникновения.………..………………...…….…….

4

1.2. Способы измерения коэффициента трения …………………………………..

5

1.3. Влияние коэффициента трения на выбор безопасной обуви ……..………

5

Глава 2. Объекты и методы исследований……………………………………………..

6

2.1. Виды подошв и напольных покрытий……………………………………….

6

2.2. Методика проведения измерений…………………………………………….

7

Глава 3. Результаты обследований и их обсуждение………………………………….

8

3.1. Анкетирование…………………………………………………………………

8

3.2. Результаты обследований……………………………………………..………

8

3.3. Обсуждение результатов обследования………………………………..……

110

Заключение…………………………………………………………………..…………

12

Выводы…………………………………………………………………………………..

12

Список литературы и интернет-ресурсов………………………………………………

12

Приложение 1……………………………………………………………………………

13

Введение

Дети и подростки почти половину времени находятся в школе. Во время перемен многие из них довольно активны. В связи с этим иногда случаются травмы и несчастные случаи. В нашей школе имеются разные напольные покрытия: в коридорах и в большинстве классов - деревянные окрашенные полы, в столовой и нескольких кабинетах - линолеум, вестибюль и лестничные клетки покрыты напольной плиткой.

Сменная обувь, которую носят школьники, имеет разные подошвы. Из ресурсов интернета я узнала, что наиболее распространенной является обувь с подошвой из термополиуретана, этиленвинилацетата (ЭВА) и термопластичной резины.

Актуальность исследования заключается в том, что в последнее время потре-бителю представлен очень богатый выбор обуви. Наверняка, родители задаются вопросом - как выбрать безопасную обувь для ребенка. Отсюда вытекает проблема исследования: при покупке обуви мало кто обращает внимание на материал, из которого изготовлена подошва и не учитывает коэффициент трения обуви о различные поверхности.

Объект исследования: обувь, подошва которой изготовлена из различных материалов.

Предмет исследования: зависимость коэффициента трения подошвы обуви о различную поверхность от материалов подошвы.

Цель работы: исследовать трение подошв обуви, изготовленных из разных материалов о различные поверхности, и определить наиболее подходящие материалы для подошвы обуви школьника.

Задачи исследования:

1. Изучить теоретические основы трения.

2. Провести анкетирование среди учащихся, учителей и родителей для выявления уровня осведомлённости о материалах подошв обуви и их влияния на трение при ходьбе.

3. Измерить коэффициент трения скольжения материала обувной подошвы о различную поверхность.

4. Провести анализ полученных результатов измерений и выявить наиболее приемлемые варианты эксплуатации обуви.

Методы исследования: изучение литературы, анкетирование, измерение, сравнение, анализ, синтез.

Гипотеза: коэффициент трения обуви о различную поверхность зависит от материала подошвы.

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Сила трения. Причины возникновения.

Сила трения возникает в месте соприкосновения двух тел и препятствует взаимному перемещению этих тел относительно друг друга. Она всегда направлена противоположно движению тел либо направлению приложения внешней силы. В случае если тела неподвижны. В результате трения механическая энергия переходит в тепловую.

Трение делится на трение покоя и трение движения. Трение движения в свою очередь делится трение качения и трение скольжения. Трение покоя возникает, когда соприкасающиеся тела пытаются сместить друг относительно друга.

где N - сила реакции опоры, μ - коэффициент трения.

Трение покоя, как видно из названия, возникает, когда к телам прикладывается сторонняя сила стремящаяся сместить их друг относительно друга. Но движение еще не возникает. Движения нет именно потому, что ему препятствует сила трения покоя. В тот момент, когда внешняя сила превысит силу трения покоя, возникнет сила трения скольжения.

Рис. Шероховатости

поверхностейПричиной возникновения силы трения является неровности на поверхности соприкасающихся тел. Даже если поверхности выглядят гладкими, на самом деле при большом увеличении, видно, что поверхность является шершавой. Так вот именно эти неровности на поверхности двух тел и цепляются друг к другу.

Рис. Взаимное притяжение молекул соприкасающихся телКазалось бы, если поверхности отполировать до зеркального блеска то трение между ними должно если не исчезнуть совсем, то уж точно упасть до минимального значения. А на практике оказывается все не так просто. В случае очень гладких поверхностей проявляется еще один фактор увеличивающий трение. Это межмолекулярное притяжение. При очень тонкой обработке материала, молекулы вещества двух тел находятся настолько близко друг к другу, что возникают настолько сильные силы притяжения, что они препятствуют движению тел друг относительно друга.

Конечно же, на величину силы трения влияет и сила, которая прижимает тела друг к другу. Чем она выше, тем выше сила трения. Если вы зимой катите, пустые санки по снегу это выходит достаточно легко. Если на санках будет сидеть ребенок, тащить их будет уже сложнее. Ну а если в них сядет взрослый, вы уже дважды подумаете, а стоит ли их тащить вообще. Во всех этих случаях качество поверхности полозьев санок и поверхность снега неизменна. А вот сила тяжести разная, что и приводит к увеличению силы трения.

Кроме трения скольжения еще существует и сила трения качения. Но я ее рассматривать не буду, т.к. к данной работе она не имеет отношения.

В простейшей модели трения выполняются следующие законы. Они являются обобщением опытных фактов и носят приближённый характер.

1. Максимальная величина силы трения покоя равна силе трения скольжения.

2. Абсолютная величина силы трения скольжения прямо пропорциональна силе реакции опоры: F=µN. Коэффициент пропорциональности µ называется коэффициентом трения.

3. Коэффициент трения не зависит от скорости движения тела по шероховатой поверхности.

4. Коэффициент трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

1.2. Способы измерения коэффициента трения

Что определяет величину силы трения? Повседневный опыт свидетельствует: чем сильнее прижать поверхности тел друг к другу, тем труднее вызвать их взаимное скольжение и поддерживать его (например, лист бумаги, вложенный между страницами лежащей на столе толстой книги, проще вытащить из верхней части, чем из нижней). Прижимающая сила, действующая со стороны соседнего тела на трущуюся поверхность, перпендикулярна ей и называется силой нормального давления.

В 1781 году Шарль Кулон, изучая трение деталей и веревок, которые в то время были существенными частями механизмов, экспериментально установил, что сила трения F_тр прямопропорциональна прижимающей силе N:

F_тр = µN; N = F_тяж = mg

Коэффициент пропорциональности µ - коэффициент трения - определяется шероховатостью соприкасающихся поверхностей; для более гладких поверхностей он меньше.

µ =

3. Влияние коэффициента трения на выбор безопасной обуви.

Чем больше коэффициент трения μ, тем менее скользит обувь по напольному покрытию. Следовательно, тем безопаснее обувь.

Глава 2. Объекты и методы исследований

2.1. Виды подошв и напольных покрытий.

В своей работе я исследовала три вида подошв: термопластичная резина, термополиуретан, этиленвинилацетат (ЭВА).

Термопластичная резина - это обувная резина, сделанная из синтетического каучука, который прочнее, чем каучук натуральный, но не менее эластичен. Современные технологии позволяют с помощью различных добавок повысить его гибкость.

Термополиуретан - это материал, который изготавливается из мелких гранул полиуретана, которые под действием высокого давления и большой температуры принимает форму подошвы, т.е. это полиуретан, который был термически обработан. Полиуретан изготавливается путем смешивания двух полимеров, которые, вступая в реакцию друг с другом, образуют пену с множеством воздушных пузырьков, за счет чего создается способность полиуретана поглощать удары.

Этиленвинилацетат (ЭВА) - это композиционный полимерный материал, относящийся к полиолефинам. Очень легкий материал, обладающий хорошими амортизирующими свойствами.

Термопластичная

резина

Термополиуретан

Этиленвинилацетат

Я определяла зависимость силы трения от различных напольных покрытий: деревянный окрашенный пол, линолеум, кафельная плитка.

Окрашенный пол

Линолеум

Напольная плитка

2.2. Методика проведения измерений

1. Измерить силу тяжести, действующую на обувь с различной подошвой. Для этого подвесить ее к динамометру.

2. Положить поочередно обувь на поверхность и протянуть ее с равномерной скоростью по деревянному окрашенному полу, линолеуму и кафельной плиточной поверхности приблизительно около метра. Снять показания динамометра в этом положении.

F_тяги

F_тр

N

F_тяж

3. Повторить опыт несколько раз для получения более точных результатов.

4. Найти среднее значение силы трения.

5. Вычислить коэффициент трения.

6. Повторить эксперимент с другими видами подошвы.
7. Полученные данные занести в таблицы.

Глава 3. Результаты обследований и их обсуждение

3.1 Анкетирование

С целью выявления уровня осведомленности о свойствах материала подошвы и влияния материала подошвы на трение при ходьбе, было проведено анкетирование среди учителей, учащихся разных классов и их родителей.

Вопросы анкеты.

1. Знаете ли вы, что материал подошвы существенно влияет на трение при ходьбе?

2. При покупке обуви интересуетесь ли вы, из какого материала изготовлена подошва обуви?

3. Знаете ли вы о физических свойствах и характеристиках различных материалов для изготовления подошв?

В анкетировании приняли участие 51 человек. При обработке данных анкетирования выяснилось, что практически все (96%) знают о том, что материал подошвы существенно влияет на трение при ходьбе, но при покупке обуви, чуть больше половины, кто интересуется, из какого материала изготовлена подошва (55%). На вопрос об осведомленности о физических свойствах материала подошвы 31% ответили отрицательно и 29% затруднялись в ответе.

№ вопроса

Вариант ответа

Количество ответов

%

«да»

49

96

«нет»

2

4

«да»

28

55

«нет»

22

43

«затрудняюсь ответить»

1

2

«да»

20

39

«нет»

16

31

«затрудняюсь ответить»

15

29

3.2. Результаты обследований

Следующим этапом работы было измерение коэффициента трения скольжения обувных подошв при взаимодействии с различными поверхностями.

Измерение силы трения о деревянный окрашенный пол

Подсчёт среднего значения силы трения о деревянный окрашенный пол

Материал подошвы

Fтр., H

(примерное значение)

Fтр., H

(среднее значение)

Термопластичная резина

0,5

0,43

0,4

0,4

Термополиуретан

0,3

0,28

0,3

0,25

Этиленвинилацетат

0,5

0,43

0,4

0,4

Расчеты производились по формуле:

Подсчёт коэффициента трения при трении обуви о деревянный окрашенный пол

Материал подошвы

Fтр., Н

(среднее значение)

Fтяж., Н

μ

(коэффициент трения)

Термопластичная резина

0,43

1,5

0,29

Термополиуретан

0,28

1,25

0,23

Этиленвинилацетат

0,43

1,5

0,29

Измерение силы трения о напольную плитку

Подсчёт среднего значения силы трения о напольную плитку

Материал подошвы

Fтр., H

(примерное значение)

Fтр., H

(среднее значение)

Термопластичная резина

0,7

0,67

0,6

0,7

Термополиуретан

0,4

0,45

0,5

0,45

Этиленвинилацетат

0,7

0,65

0,65

0,6

Подсчёт коэффициента трения при трении обуви о напольную плитку

Материал подошвы

Fтр., Н

(среднее значение)

Fтяж., Н

μ

(коэффициент трения)

Термопластичная резина

0,67

1,5

0,45

Термополиуретан

0,45

1,25

0,36

Этиленвинилацетат

0,65

1,5

0,43

Измерение силы трения о линолеум

Подсчёт среднего значения силы трения о линолеум

Материал подошвы

Fтр., H

(примерное значение)

Fтр., H

(среднее значение)

Термопластичная резина

0,5

0,47

0,4

0,5

Термополиуретан

0,3

0,35

0,4

0,35

Этиленвинилацетат

0,6

0,6

0,55

0,65

Подсчёт коэффициента трения при трении обуви о линолеум

Материал подошвы

Fтр., Н

(среднее значение)

Fтяж., Н

μ

(коэффициент трения)

Термопластичная резина

0,47

1,5

0,31

Термополиуретан

0,35

1,25

0,28

Этиленвинилацетат

0,6

1,5

0,4

Деревянный

окрашенный пол

Линолеум

Напольная плитка

Термопластичная резина

0,29

0,31

0,45

Термополиуретан

0,23

0,28

0,36

Этиленвинилацетат

0,29

0,4

0,43

3. Обсуждение результатов обследования

Таким образом, проведя опыты, я обобщила все результаты и оформила в таблицу, по которой построила диаграмму.

Из диаграммы видно, что подошвы из этиленвинилацетата и термопластичной резины не уступают друг другу, а наименьший коэффициент трения у термополиуретановой подошвы. Из этого следует, что при покупке обуви следует учитывать особенности подошв и условия, в которых вы будете носить данную обувь. Итак, сменную обувь для школы следует покупать с этиленвинилацетатной или термопластичной резиновой подошвой, так как она имеет наибольший коэффициент трения по различным поверхностям (видно из диаграммы), и это поможет избежать падений и травм.

Заключение

В ходе данного исследования была выполнена следующая работа:

• изучена необходимая литература по определению коэффициента трения;

• выявлены материалы, которые используются для изготовления подошвы детской и подростковой обуви, и виды напольных покрытий, встречающиеся в нашей школе;

• проведено анкетирование обучающихся разных классов, родителей и учителей об осведомленности влияния силы трения подошвы на безопасность движения;

• проведены измерения и выполнены вычисления, по определению коэффициента трения разных подошв о различные поверхности.

Для выявления зависимости и проведения анализа полученных результатов я построила диаграммы исследуемых величин.

Выводы

На основании результатов анкетирования и исследования выявлено:

1. Все опрошенные респонденты знают о влиянии материала подошвы на трение при ходьбе, но половина из них при покупке обуви не интересуется материалом подошвы.

2. Материал подошвы влияет на значение коэффициента трения. Наибольшим значением коэффициента трения скольжения обладают подошвы, изготовленные из этиленвинилацетата и термопластичной резины, а наименьшим - из термополиуретана.

3. Зная коэффициент трения материала подошвы о различную поверхность, можно подобрать оптимальный вариант приобретения обуви.

Для того чтобы обезопасить школьников от падений и травм в школе я рекомендую приобретать сменную обувь на подошве из этиленвинилацетата и термопластичной резины. Но в то же время при выборе имеет смысл учитывать данные Приложения 1.

IV. Список литературы:

1. Сила трения. Формула. Определение. // electrophysic.ru/mehanika/sila-treniya.-formula.-opredelenie.-osnovnyie-ponyatiya.html

2. Сила трения. // mathus.ru/phys/friction.pdf

3. Обувной ликбез: из чего делаются обувные подошвы // shoes-report.ru/articles/aktsenty/obuvnoy-likbez-iz-chego-delayutsya-obuvnye-podoshvy/

4. Материалы подошв. // ecco-shoes.ru/buyers/encyclopedia/soles/materials/

5. Виды подошвы для обуви. // dom-obuvi.su/vidy-podoshvy.html

Приложение 1

Достоинства и недостатки разных видов обувных подошв

Название материала подошвы

Примеры обуви с данной подошвой

Достоинства

Недостатки

Термопластичная резина (ТПР)

Обладает малой плотностью и, соответственно, меньшей массой, чем другие материалы. В ней нет сквозных пор, поэтому через нее не проходит влага. Однако поверхностные поры в ТПР есть, и они обеспечивают высокую теплозащиту. Кроме того, ТПР, как и другие пористые резины, - упругий материал, обеспечивающий хорошие амортизационные свойства. Благодаря этой характеристике обувь с подошвой из ТПР снимает излишнюю нагрузку на ноги и позвоночник.

Малая плотность материала может быть не только достоинством, но и недостатком. В случае с ТПР она ведет к тому, что подошва из этого материала не отличается особенно выдаю-щимися теплозащитными свойствами. Кроме того, во влажную и морозную погоду подошва из термопластичной резины сильно скользит.

Этиленвинилацетат (ЭВА)

Очень легкий материал, обладающий хорошими амортизирующими свойст-вами. Используется в основном в детской, домаш-ней, летней и пляжной обу-ви, а в спортивной обуви - в форме вставок, потому что способен поглощать и рас-пределять ударные нагрузки.

С течением времени подошвы из ЭВА теряют свои амор-тизирующие свойства. Это происходит из-за того, что стенки пор разрушаются, и вся масса ЭВА становится более плоской и менее упругой. Также ЭВА не подходит в качестве материала для зимней обуви, поскольку этот ма-териал очень скользкий и не-устойчив к морозам.

Термополиуретан (ТПУ)

Обладает достаточно высо-кой плотностью, благодаря чему из него можно изготав-ливать подошвы с глубоким протектором, которые обес-печивают отличное сцеп-ление с поверхностью. Также достоинствами ТПУ является высокая износостойкость и сопротивление деформации, в том числе порезам и про-колам.

Высокая плотность термо-полиуретана является одновре-менно и его недостатком, ведь из-за этого вес термополи-уретановой подошвы достаточ-но велик, а эластичность и теплоизоляция оставляют же-лать лучшего. Для улучшения этих характеристик ТПУ часто комбинируют с полиуретаном, тем самым добиваясь сниже-ния веса подошвы, повышая ее теплоизоляцию и эластич-ность. Такой способ называ-ется двухкомпозиционным литьем, и узнать его довольно просто: изготовленная по та-кой технологии подошва со-стоит из двух слоев, и верхний слой сделан из полиуретана (ПУ), а нижний, контак-тирующий с землей, выполнен из термополиуретана.