ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ ОБУВНЫХ ПОДОШВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С РАЗЛИЧНЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ

Чернышева Елена

класс 10 «2», БОУ г. Омска «СОШ № 135», г. Омск

Новикова Людмила Васильевна

научный руководитель, педагог высшей категории, преподаватель физики БОУ г. Омска «СОШ № 135», г. Омск

Введение

Актуальность. В современном мире производится огромное количество обуви. И в таком разнообразии человеку трудно сориентироваться в правильном выборе. Красивая, модная и абсолютно удобная в момент покупки обувь в повседневной носке превращается в скользкую и непрактичную. Мало кто знает о том, что одним из показателей качества обуви является правильный выбор производителем материала для изготовления подошвы. Именно подошва, соприкасаясь с другой поверхностью, создает трение, которое может создавать дискомфорт при ходьбе.

Цель — исследовать зависимость коэффициента трения обувных подошв от материала подошвы.

Задачи:

1.  Изучить теоретические основы сухого трения.

2.  Провести анкетирование среди учащихся для выявления наиболее популярных производителей обуви и 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.

Объект исследования: обувь различных производителей.

Методы исследования:

1.  Анкетирование.

2.  Физический эксперимент.

3.  Математический расчет.

4.  Анализ результатов.

Теоретическая часть

Трение — процесс взаимодействия твердых тел при их относительном движении (смещении) либо при движении тела в газообразной или жидкой среде. Действие сил трения сопровождается превращением механической энергии во внутреннюю, что вызывает нагревание соприкасающихся тел и окружающей среды. Трение имеет электронную природу при условии, что вещество находится в состоянии, отличном от сверхпроводящего.

Механизм трения. 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. При этом возникают колебания молекул. На эти колебания тратится энергия.

Трение подразделяется на внешнее и внутреннее. Внешнее трение — это вид трения, при котором в местах соприкосновения твердых тел возникают силы, затрудняющие взаимное перемещение тел и направленные по касательным к их поверхностям. Внутреннее трение (вязкость) — это вид трения, возникающего при взаимном перемещении слоев жидкости или газа. между слоями возникают касательные силы, препятствующие перемещению. Внешнее трение подразделяется на статическое (трение покоя) и кинематическое (трение скольжения и трение качения). При скольжении тел сила трения скольжения пропорциональна силе, прижимающей тела по нормали к поверхности соприкосновения (перпендикулярно поверхности соприкосновения) [3]. Эта прижимающая сила называется силой нормального давления, и она, по третьему закону Ньютона, равна силе нормальной реакции. Сила трения не зависит от площади контакта между поверхностями и не зависит от скорости движения тела по поверхности другого.

Коэффициент трения µ — основная характеристика трения, которая определяется свойствами материалов, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел [2]. Сила трения F_тр. и сила реакции опоры N (сила нормального давления) связаны неравенством:

F_тр.≤ µ N

Это выражение называется законом Амонтона — Кулона.

Коэффициент трения можно определить экспериментально. Для этого необходимо поместить тело на наклонную плоскость с углом наклона α и определить коэффициент трения покоя через проекции сил:

µ= F_тр/ N, µ = mg sinα/mg cosα, µ=tgα.

При увеличении угла наклона тело начинает скользить с наклонной плоскости, и коэффициент трения скольжения можно определить из неравенства µ≤tgα.

Движение тела по наклонной плоскости под действием нескольких сил

Наличие трения обеспечивает возможность тел перемещаться по поверхности. Так, при ходьбе именно за счет трения происходит сцепление поверхности подошвы с полом, в результате чего происходит отталкивание от пола и движение вперед.

Для увеличения трения поверхности делают шероховатыми или шлифуют до такой степени, чтобы поверхность стала абсолютно гладкой. А для уменьшения трения используют смазку [1].

Для изготовления обувных подошв используют натуральные материалы (каучук, кожа) и искусственные (резина, полимерные материалы). Обувь, подошва которой изготовлена из натуральных материалов, является достаточно дорогой по цене и не каждому доступной.

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 старших классов нашей школы. Анкетирование проводилось в сентябре 2011 года. В анкетировании приняли участие 147 учащихся и преподавателей нашей школы. При обработке данных анкетирования выяснилось, что наиболее популярными производителями обуви являются «Adidas» (28 %), «Nike» (24 %), «ECCO» (13 %). Многие (36 % 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 (23 %). На вопрос об осведомленности о физических свойствах материала подошвы 78% ответили отрицательно (прил. 1).

Следующим этапом работы было измерение коэффициента трения скольжения обувных подошв при взаимодействии с различными поверхностями. Измерения проводились с октября по декабрь 2011 года на базе лаборатории кабинета физики и в специализированных магазинах методом физического эксперимента. Измерения проводились двумя способами.

I способ. Прибор для измерения — динамометр школьный (прил. 2). Методика проведения эксперимента состояла в следующем: прикрепленную к пружине динамометра обувь с помощью постоянной силы тянули вдоль различных поверхностей (ковролин, линолеум, кафель, цемент), измеряя при этом силу трения (подошву обуви предварительно обрабатывали этиловым техническим спиртом). Затем измеряли вес обуви, который численно равен силе нормального давления. Для повышения точности результата эксперимент проводился неоднократно (8—10 раз). Условия проведения эксперимента: сухая и чистая поверхность подошвы и поверхности, температура в помещении 20⁰C. Путем математического расчета было вычислено среднее значение силы трения и коэффициента трения. Для этого использовалась формула Амонтона — Кулона. Результаты измерений и расчетов были сведены в обобщающую таблицу (прил. 3).

II способ. Помещали обувь на наклонную плоскость, угол наклона которой можно менять. Поверхность плоскости покрывали образцами, изготовленными из различных материалов: ковролина, линолеума, бетона. Затем сверху помещали обувь. Увеличивая угол наклона плоскости, измерили угол, при котором обувь начинает скользить по наклонной плоскости. Измерения углов проводились с помощью угломера 5-УМ 3—5 раз для каждого вида подошвы. Затем с помощью неравенства µ≤tgα определяли значение коэффициента трения. С помощью математического расчета было вычислено среднее значение коэффициента трения. Результаты измерений были сведены в обобщающую диаграмму (прил. 4).

В ходе измерения было выявлено, что наибольшим коэффициентом трения обладают подошвы, изготовленные из каучука, резины и термоэластопласта, а наименьшим — из кожи и пластика. Хорошим качеством сцепления обладает обувь, подошва которой изготовлена из полиуретана. 

Заключительным этапом исследования было измерение коэффициента трения материала подошвы о различные поверхности в условиях зимнего времени. Целью данного эксперимента было выявление зависимости коэффициента трения о поверхность, покрытую тонким слоем льда. В ходе эксперимента было выявлено, что у всех видов материалов подошв снижается значение коэффициента трения по сравнению с предыдущими измерениями, но максимальное значение коэффициента трения имеют, по — прежнему, полиуретановая и термоэластопластовая подошвы (прил. 5). Погрешность всех проведенных измерений составила 6 % (прил. 6).

Анализ полученных результатов измерений показал, что для наилучшего взаимодействия с любыми поверхностями следует приобретать обувь, материал подошвы которой изготовлен из каучука, резины, полимерных материалов (кроме пластика).

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.  Значение коэффициента трения материала подошвы популярных фирм — производителей соответствует допустимым значениям.

3.  Материал подошвы существенно влияет на значение коэффициента трения. Наибольшим значением коэффициента трения скольжения обладает подошва, изготовленная из каучука, термоэластопласта и полиуретана, наименьшим — из пластика.

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

Цель достигнута.

Приложение 1. 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?

Таблица 1.

Результаты анкетирования (147 опрошенных)

Приложение 2. Динамометр школьный лабораторный.

Приложение 3. Результаты измерения коэффициента трения скольжения подошвы при взаимодействии с различными поверхностями.

Таблица 2.

Поверхность — ковролин

Таблица 3.

Поверхность — линолеум

Таблица 4.

Поверхность — кафель

Таблица 5.

Поверхность — цемент

Приложение 4.

Диаграмма зависимости коэффициента трения скольжения материала подошвы от вида поверхности

Приложение 5.

Таблица 6.

Результаты измерения коэффициента трения подошвы о поверхность, покрытую льдом

Приложение 6.

Расчет погрешности измерений.

Измерения проводились учебным динамометром (цена деления 0,1 Н, предел измерений 4 Н).

Абсолютная инструментальная погрешность ∆_и=0,05 Н,

абсолютная погрешность отсчета ∆_о=0,05 Н.

Абсолютная погрешность ∆=∆_и+∆_о составила 0,1 Н.

Относительная погрешность измерений ε=((∆/измеренное значение) Х 100 %). Т. к. проводилось измерение  двух величин (силы трения и веса), то ε=ε₁+ε₂.

Погрешность составила, в среднем, 6 %.

Список литературы:

1.Крагельский И.В. Основы расчетов на трение и износ. — М.: Машиностроение, 1977. — 526 с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики в 3-х томах. Т 1. Механика и молекулярная физика. — М.: Наука, 1998. — 480 с.

3.Фролов К.В. Современная трибология: итоги и перспективы. ЛКИ, 2008.