Сила вязкого трения. Методические материалы

Цифровой ресурс может использоваться для обучения в рамках программы средней школы (углубленного уровня).

Компьютерная модель иллюстрирует возникновение силы вязкого трения.

Краткая теория

Трение – один из видов взаимодействия тел. Трение, как и все другие виды взаимодействия, подчиняется третьему закону Ньютона: если на одно из тел действует сила трения, то такая же по модулю, но направленная в противоположную сторону сила действует и на второе тело. Силы трения, как и упругие силы, имеют электромагнитную природу. Они возникают вследствие взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел.

Силами сухого трения называют силы, возникающие при соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки. Они всегда направлены по касательной к соприкасающимся поверхностям.

При движении твердого тела в жидкости или газе возникает силa вязкого трения. Сила вязкого трения значительно меньше силы сухого трения. Она также направлена в сторону, противоположную относительной скорости тела. При вязком трении нет трения покоя.

При достаточно малых скоростях величина силы вязкого трения пропорциональна скорости относительного движения υ тел, пропорциональна площади S и обратно пропорциональна расстоянию между плоскостями h (см. рисунок).

Рис. 1. 

Коэффициент пропорциональности, зависящий от сорта жидкости или газа, называют коэффициентом динамической вязкости.

Сила вязкого трения сильно зависит от скорости тела. При малых скоростях Fтр ~ υ, при больших скоростях Fтр ~ υ2. При этом коэффициенты пропорциональности в этих соотношениях зависят от формы тела.

Работа с моделью

При нажатии кнопки Старт приводится в движение пластина, лежащая на поверхности жидкости. Показывается возникающая сила вязкого трения, анализируется скорость движения различных слоев жидкости.

Рекомендации по применению модели

Данная модель может быть применена в рамках факультативных и элективных курсов на уроках изучения нового материала в 10 классе по теме «Вязкое трение».

Примеры планирования уроков с использованием модели
Тема «Сила вязкого трения»

Цели урока: рассмотреть силу вязкого трения, зависимость силы вязкого трения от скорости движения тела, свойств среды, геометрических размеров тела.

№ п/п Этапы урока Время, мин Приемы и методы
1 Организационный момент 2
2 Проверка домашнего задания по теме «Сила трения покоя, сила терния скольжения». 15 Фронтальный опрос
3 Объяснение нового материала по теме «Сила вязкого трения» 15 Объяснение нового материала с использованием компьютерной модели «Сила вязкого трения»
4 Решение задач 10 Работа на доске, самостоятельное решение задач
5 Объяснение домашнего задания 2
Таблица 1. 
Примеры вопросов и заданий

 

1.

Парашютист, летящий до раскрытия парашюта со скоростью 50 м/с, раскрывает парашют, и его скорость становится равной 5 м/с. Определите, какой примерно была максимальная сила натяжения строп при раскрытии парашюта. Масса парашютиста 80 кг, ускорение свободного падения 10 м/с2. Принять, что Fсопр пропорциональна υ.

2.

Дождевая капля падает из облака с большой высоты в безветренную погоду. На некоторой высоте ускорение капли стало равным a = 5 м/с2; в этот момент ее скорость была равна υ1 = 6 м/с. Вблизи земли капля движется с постоянной скоростью. Определите модуль υ2 этой установившейся скорости. Силу сопротивления воздуха считайте прямо пропорциональной скорости капли относительно воздуха.

3.

Водометный катер движется с постоянной скоростью, забирая забортную воду и выбрасывая назад струю со скоростью u = 20 м/с относительно катера. Площадь поперечного сечения струи S = 0,01 м2. Найдите скорость катера, если действующая на него сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости: Fс = kυ2, причем k = 7,5 Н·с22.