Исследовательская работа по физике: «Исследование коэффициента трения обуви о различную поверхность»

КРАСНОЯРСКАЯ РЕГИОНАЛЬНАЯ ДЕТСКО-МОЛОДЕЖНАЯ ОБЩЕСТВЕННАЯ

ОРГАНИЗАЦИЯ «НАУЧНОЕ ОБЩЕСТВО УЧАЩИХСЯ»

Краевое государственное бюджетное оздоровительное образовательное учреждение санаторного типа для детей, нуждающихся в длительном лечении

« Ачинская санаторная школа - интернат»

ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ ОБУВИ

РАЗЛИЧНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ

(исследовательская работа)

городская научно-практическая конференция

Выполнил:

уч-ся 8 класса Ачинской

санаторной школы - интернат

г. Ачинска Красноярского края

Садовский Семен Сергеевич

Руководитель:

учитель физики Ачинской

санаторной школы - интернат Колесникова Татьяна Дмитриевна

АЧИНСК 2014

Содержание

Введение

4

Научная статья

5-12

Теоретическая часть

5-6

Практическая часть

6-7

Опыт 1. Определение коэффициентов трения и зависимости силы трения от материалов поверхностей.

8-11

Выводы и рекомендации

12

Заключение

13

Список используемой литературы

14

Аннотация

Садовский Семен Сергеевич

г. Ачинск, Ачинская санаторная школа - интернат, 8 класс

« Исследование коэффициента трения обуви о различную поверхность».

Руководитель: Колесникова Татьяна Дмитриевна, учитель физики.

Цель научной работы:

Зная коэффициент трения материала подошвы о различную поверхность, можно подобрать оптимальный вариант приобретения обуви. Методы, использованные в работе: анкетирование, физический эксперимент, математический расчет, анализ результатов. Проведя опыт, я сделал вывод, что наибольший коэффициент трения у подошвы, сделанной из полиуретана, затем - резина, каучук, а наименьший коэффициент - у пластика. Из этого следует, что при покупке обуви следует учитывать особенности подошв и погодные условия, в которых вы будете носить обувь.

1. Введение

Актуальность

В зимнее время, когда на улице гололед, происходит очень много падений и травм.

Поэтому очень важно при покупке обуви учитывать особенности подошв и погодные условия, в которые вы будете носить данную обувь. В этом и заключается актуальность.

Проблема

При покупке обуви мало кто обращает внимание на материал, из которого изготовлена подошва и не учитывает коэффициент трения обуви о различные поверхности.

Цель работы

Исследование трения подошв обуви, изготовленных из разных материалов о различные поверхности и определение наиболее практичных материалов для их изготовления.

Задачи:

1. Изучить теоретические основы сухого трения.

2. Провести анкетирование среди учащихся для выявления наиболее популярных производителей обуви, уровня осведомленности о материале подошвы и влияния материала подошвы 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

1. Анкетирование.

2. Физический эксперимент.

3. Математический расчет.

4. Анализ результатов.

Объект исследования

Зимняя обувь на резиновой, полиуретановой, каучуковой и пластиковой подошве.

Предмет исследования

Зависимость силы трения подошвы обуви о различную поверхность, от силы давления и материалов поверхностей, определение коэффициентов трения.

Гипотеза

Коэффициент трения обуви о различную поверхность зависит от свойств материала.

II. Научная статья

1.Теоретическая часть

Сопротивление движению возникает при скольжении одного тела по поверхности другого. Если соприкасаются твёрдые поверхности или твёрдые прослойки между телами (плёнки окислов, полимерные покрытия), трение называют сухим.

Природа силы трения - электромагнитная. Это означает, что причиной её возникновения являются силы взаимодействия между частицами, из которых состоит вещество. Второй причиной возникновения силы трения является шероховатость поверхности. Из-за неровностей поверхности касаются друг друга только в отдельных точках, находящихся на вершинах выступов. Здесь молекулы соприкасающихся тел подходят на расстояния, соизмеримые с расстояниями между молекулами, и сцепляются. Образуется прочная связь, которая разрывается при нажиме на тело. При движении тела связи возникают постоянно и рвутся. Выступающие части поверхностей задевают друг за друга и препятствуют движению тела. Именно поэтому для движения по гладким (полированным) поверхностям требуется прикладывать меньшую силу, чем для движения по шероховатым.

Сила трения, действующая вдоль поверхности соприкосновения твёрдых тел, направлена против скольжения тела.

Трение принимает участие (и притом весьма существенное) там, где мы о нём даже не подозреваем. Но не надо думать, что трение всегда препятствует движению - часто оно ему способствует.

Трение способствует устойчивости. Плотники выравнивают пол так, что столы и стулья остаются там, куда их поставили. Блюда, стаканы, поставленные на стол, остаются неподвижными без особых забот с нашей стороны, если только дело не происходит на пароходе во время качки.

Вообразим, что трение может быть устранено совершенно. Тогда никакие тела, будь они величиной с каменную глыбу или малы, как песчинки, никогда не удержится одно на другом. Не будь трения, Земля представляла бы шар без неровностей, подобно жидкой капли.

Особенности сил трения:

-возникают при соприкосновении;

-действуют вдоль поверхности;

-всегда направлены против направления движения тела.

Что определяет величину силы сухого 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 становил, что сила трения F _ТР прямо пропорционально прижимающей силе N:

F _тр = µN; N = F тяж

Коэффициент пропорциональности µ - коэффициент трения - определяется шероховатостью соприкасающихся поверхностей; для более гладких поверхностей он меньше. Например, после удара хоккейной клюшкой скользящая шайба быстрее останавливается на деревянном полу, чем на льду.

µ =

2. Практическая часть

С целью выявления наиболее популярных производителей обуви и уровня осведомленности о свойствах материала подошвы и влияния материала подошвы на трение при ходьбе было проведено анкетирование среди преподавателей и учащихся нашей школы.

В анкетировании приняли участие 54 учащихся и преподавателей. При обработке данных анкетирования выяснилось, что наиболее популярными производителями обуви являются «Монро» (14,8%), «ФранческоДони» (13%), «Ионесси» (11%), «Юничел» (9,3%). Многие (40,7 % анкетируемых) не знают производителей обуви, т. к. приобретают обувь на рынках, зачастую, кустарного производства. Все анкетируемые (100 %) знают о том, что материал подошвы существенно влияет на трение при ходьбе, но при покупке обуви мало кто интересуется, из какого материала изготовлена подошва (78 %). На вопрос об осведомленности о физических свойствах материала подошвы 90,7% ответили отрицательно.

№ вопроса

Количество

%, процент от общего числа

«Юничел»- 5

«Монро» - 8

«Франческо Дони» - 7

«Ионесси» - 6

Российские производители - 6

Производитель неизвестен - 22

9,3

14,8

13

11

11

40,7

54

100

12 - «да»

42- «нет»

22

78

5 - «да»

49- «нет»

9,3

90,7

Анкета

1. Обувь каких производителей вы носите?

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

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

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

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

3. Опыт 1

Цель проводимого опыта состоит в исследовании зависимости силы трения подошвы обуви о различную поверхность от силы давления и материалов поверхностей, определение коэффициентов трения.

Опыт проводился в домашних условиях. Опыт заключался в следующем: прикрепленную к динамометру обувь я тянул равномерно вдоль различных поверхностей, снимал показания динамометра в таком положении, а также измерял силу тяжести данной обуви; с помощью полученных результатов подсчитал коэффициенты трения различной обуви о разную поверхность.

Приборы и материалы, используемые в опыте:

1.Обувь с резиновой подошвой, полиуретановой, пластиковой и каучуковой подошвой.

2.Ковровая, цементная поверхности и ламинат.

3.Динамометр.

Следует учитывать, что если подошва называется каучуковой, то она не состоит на 100% из каучука, она содержит множество других элементов в своем составе, но содержание каучука в ней преобладает. Также и с резиновой, пластиковой и полиуретановой подошвами.

Порядок проведения опыта:

1. Измерил силу тяжести, действующую на сапог с резиновой подошвой. Для этого подвесил его к динамометру.

2. Положил этот сапог с резиновой подошвой на ковровую поверхность и протянул его с равномерной скоростью по ковру приблизительно около метра, сняв показания динамометра в этом положении.

3. Повторил опыт, подсчитал среднее значение силы трения для получения более точных результатов, вычислил коэффициент трения.

4. Протянул сапог по цементной, деревянной поверхностям и ламинату и снял показания динамометра.

5. Повторил опыты и подсчитал среднее значение силы трения для получения более точных результатов, вычислил коэффициент трения.

6. Полученные данные занес в таблицы.

Трение о ламинат

Фирма обуви

материал подошвы

материал поверхности

Fтяж., Н

(средн.значение)

Fтр., Н (средн.значение)

коэффициент трения μ

Юничел

пластик

ламинат

2,6

1.03

0,39

Франческо Дони

полиуретан

ламинат

2,4

1,46

0,6

Ионесси

каучук

ламинат

2,2

1,1

0,5

Монро

резина

ламинат

3,3

1,4

0,42

Подсчёт среднего значения силы трения о ламинат

Юничел ( пластик)

Франческо Дони (полиуретан)

Ионесси (каучук)

Монро(резина)

Подсчет коэффициента трения при трении обуви о ламинат : µ=

Пластик µ=1,03 Н: 2,6Н=0,39

Полиуретан µ=1,46 Н:2,4Н=0,6

Каучук µ=1,1Н:2,2 Н=0,5

Резина µ=1,4 Н:3,3 Н=0,42

Трение о цемент

Фирма обуви

материал подошвы

материал поверхности

Fтяж., Н

(средн.значение)

Fтр., Н (средн.значение)

коэффициент трения μ

Юничел

пластик

цемент

2,6

0,46

0,18

Франческо Дони

полиуретан

цемент

2,4

0,76

0,3

Ионесси

каучук

цемент

2,2

0,6

0,27

Монро

резина

цемент

3,3

0,83

0,25

Юничел (пластик)

Франческо Дони (полиуретан)

Ионесси (каучук)

Монро (резина)

Подсчет коэффициента трения при трении обуви о цемент : µ=

Пластик µ=0,46 Н: 2,6Н=0,18

Полиуретан µ=0,7 Н:2,4Н=0,3

Каучук µ=0,6Н:2,2 Н=0,27

Резина µ=0,83Н:3,3 Н=0,25

Трение о ковёр

Фирма обуви

материал подошвы

материал поверхности

Fтяж., Н

(средн.значение)

Fтр., Н (средн.значение)

коэффициент трения μ

Юничел

пластик

ковёр

2,6

1,6

0,62

Франческо Дони

полиуретан

ковёр

2,4

2,4

1

Ионесси

каучук

ковёр

2,2

1,76

0,8

Монро

резина

ковёр

3,3

2,6

0,78

Юничел ( пластик)

Франческо Дони (полиуретан)

Ионесси (каучук)

Монро(резина)

Подсчет коэффициента трения при трении обуви о ковер : µ=

Пластик µ=1,6 Н: 2,6Н=0,62

Полиуретан µ=2,4 Н:2,4Н=1

Каучук µ=1,76Н:2,2 Н=0,8

Резина µ=2,6Н:3,3 Н=0,78

Диаграмма зависимости коэффициента трения скольжения материала подошвы от вида поверхности

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

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

2. Значение коэффициента трения материала подошв популярных фирм - производителей соответствует допустимым значениям.

4. Выводы и рекомендации

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

2. Материал подошвы существенно влияет на значение коэффициента трения. Наибольшим значением коэффициента трения скольжения обладает подошва, изготовленная из полиуретана, каучука и резины, а наименьшим - из пластика.

3. Зная коэффициент трения материала подошвы о различную поверхность, можно подобрать оптимальный вариант приобретения обуви. В качестве идеального варианта можно предложить обувь на каучуковой и полиуретановой подошве.

III. Заключение

Таким образом, проведя опыт, я сделал вывод, что наибольший коэффициент трения у подошвы, сделанной из полиуретана, затем каучука и резины, а наименьший коэффициент у пластика. Из этого следует, что при покупке обуви следует учитывать особенности подошв и погодных условий, в которых вы будете носить обувь. В зимнее время лучше покупать обувь с полиуретановой подошвой, так как она имеет наибольший коэффициент трения по различным поверхностям (видно из диаграммы), это поможет избежать падений и травм в зимнее время, когда на улице гололед. Также полиуретан обладает хорошей устойчивостью к различным температурам и прочностью. Не желательно покупать обувь с пластиковой подошвой в зимнее время.

IV. Список литературы:

1. Аксёнова М., Володин В. Энциклопедия «Физика»: «Аванта», 2005.

2. С.В.Громов, Н.А.Родина «Физика»: Москва «Просвещение», 2000.

3. Н.М. Шахмаев, С.Н. Шахмаев, Д.Ш. Шодиев «Физика»: Москва «Просвещение», 1995.

4. А.В. Пёрышкин, Е.М. Гутник «Физика»: Москва «Дрофа», 2003.

5. О.Ф.Кабардин «Физика. Справочник для старшеклассников»; АСТ- ПРЕЕС, Москва, 2005.