Понад 300 років тому. Питання не найскладніше, але для його розуміння потрібно трохи уваги та терпіння.
Вивченню сили тертя присвячено спеціальний розділ механіки – так звана механіка фрикційної взаємодії (або – трибологія).
Сила тертя – це сила, з якою тіла, що стикаються та переміщуються один щодо одного, взаємодіють між собою. Саме сила тертя перешкоджає вільному переміщенню тіл, що стикаються.
Типи тертя та сили тертя
Звідки взагалі виникає сила тертя спокою?
Якщо розглянути поверхню підлоги та ніжок шафи в мікроскоп, ми виявимо множинні мікроскопічні горбики неймовірних форм.
Коли тіла спочивають одне на одному, відбувається зачеплення горбків один за одного, через що тіла залишаються в знерухомленому стані.
Вплив на одне з тіл або на обидва тіла одразу для їхнього переміщення один щодо одного призведе до деформації горбків, що викличе електромагнітне відштовхування молекул, що лежить в основі сили тертя спокою.
Якщо фізичні зусилля прикладати плавно, до деякого критичного моменту сила тертя спокою дорівнюватиме модулю силі, з якою ми намагаємося зрушити шафу з місця.
Сила тертя ковзання
У момент, коли шафа таки зрушить з місця сила, сила тертя спокою досягне свого максимального значення.
У цей момент відбувається руйнування горбків і, як наслідок, шафа починає ковзати.
Фото 1. Для зменшення сили тертя ковзання використовуються колеса та інші пристрої
Виникає новий тип сили тертя. сила тертя ковзання. Ця сила виникає при взаємодії поверхонь, що ковзають один по одному.
Ця сила проявляється в момент фізичного переміщення (ковзання) ніжок шафи по підлозі або при ковзанні ковзана хокеїста або фігуриста по поверхні.
Якщо перевести те, що відбувається на «горбків», при ковзанні спостерігається розрив зв'язків між молекулами, зосередженими в різних горбках.
Коли об'єкти нерухомі, тобто коли діє сила тертя спокою, таких розривів не відбувається.
«Модель горбків» умовна. Вона вигадана для викладу складних речей простою мовою.
Ті ж процеси можна пояснити глибшими науковими термінами, розуміння яких вимагатиме від читача спеціальної підготовки.
Найпростіші фізичні закони, пов'язані з силою тертя
Відповідь питанням, що таке сила тертя, можна одержати як шляхом вивчення теоретичних положень, а й вирішуючи практичні завдання.
Для вирішення завдань, пов'язаних із обчисленням значень сили тертя, знадобляться деякі наукові факти, що характеризують силу тертя.
Наприклад, вектор сили тертя ковзання, прикладеної до тіла з боку ковзної поверхні, завжди спрямований у протилежний бік від напрямку вектора швидкості руху об'єкта.
Якщо зміниться напрямок швидкості, відбудеться зміна та напрямки сили тертя ковзання. Залежність сили тертя від швидкості – важлива відмінна риса, властива цій силі (якою немає, наприклад, сили тяжіння чи сили пружності).
Для найпростішої моделі сухого тертя характерна дія наступних законів:
. Сила тертя ковзання дорівнює максимальній величині сили тертя спокою.
. p align="justify"> Коефіцієнт тертя не залежить ні від площі взаємодіючих поверхонь, ні від швидкості руху взаємодіючих об'єктів один щодо одного.
. Є прямо пропорційний зв'язок між силою реакції опори та абсолютною величиною сили тертя ковзання, що розраховується за формулою: f = µN.
Коефіцієнт пропорційності µ називається коефіцієнтом тертя.
Вченими-фізиками розраховано коефіцієнти тертя для десятків тисяч пар матеріалів.
Наприклад, коефіцієнт тертя спокоюдля пари «гума – сухий асфальт» дорівнює 0,95, а коефіцієнт тертя ковзаннядля цієї пари варіюється в межах від 0,5 до 0,8.
Змінюючи властивості взаємодіючих об'єктів, можна проводити величину сили тертя, що виникає за її взаємодії.
Наприклад, вдосконалення зовнішніх форм гоночних автомобілів або малюнка протекторів шин, що використовуються, дозволяє збільшувати їх швидкість за рахунок зменшення сили тертя ковзання.
Електрорушійна сила електрорушійна сила
(Едс), величина, що характеризує джерело енергії неелектростатичної природи в електричному ланцюзі, необхідний для підтримки в ній електричного струму. ЕДС чисельно дорівнює роботі з переміщення одиничного позитивного заряду вздовж замкненого ланцюга. Повна ЕДС в ланцюгу постійного струму дорівнює різниці потенціалів на кінцях розімкнутого ланцюга. ЕДС індукції створюється вихровим електричним полем, що породжується змінним магнітним полем. У СІ вимірюється у вольтах.
ЕЛЕКТРОРУШІЙНА СИЛАЕЛЕКТРОДВИГУНА СИЛА (едс; e) - величина, що характеризує джерело енергії неелектростатичної природи в електричному ланцюзі, необхідний для підтримки в ній електричного струму (див.ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ). Потенційні сили електростатичного (або стаціонарного) поля не можуть підтримувати постійний струм у ланцюзі. Для підтримки в ланцюзі безперервного струму необхідне джерело струму ( див.) , або генератор (див.Генератор)електричного струму, що забезпечує дію сторонніх сил (див.СТОРІННІ СИЛИ). Сторонні сили мають неелектростатічне походження і діють усередині джерел струму, (генераторів, гальванічних елементів, акумуляторів і т. д.), створюючи різницю потенціалів між кінцями решти ланцюга і рухаючи заряджені частинки всередині джерел струму.
Так як при переміщенні електричного заряду по замкнутому ланцюзі робота, що здійснюється електростатичними силами, дорівнює нулю, то заряд переміщається лише під дією сторонніх сил. Тому електрорушійна сила джерела струму буде чисельно дорівнює роботі сторонніх сил А в джерелах постійного або змінного струму переміщення одиничного позитивного заряду Q уздовж замкнутого ланцюга.
ЕРС, що діє в ланцюзі, визначається як циркуляція вектора напруженості сторонніх сил.
Походження сторонніх сил може бути різним. Як міра електрорушійної сили, що діє в генераторі, приймають різницю потенціалів, створювану на затискачах розімкнутого генератора. Один і той же джерело струму, залежно від сили струму, що відбирається, може мати різну напругу на електродах. Джерела струму – акумулятори, термоелементи, електричні генератори – одночасно замикають електричний ланцюг. Струм тече по зовнішній частині ланцюга - провіднику та по внутрішньому - джерелу струму. Джерело струму має два полюси: позитивний (з більш високим потенціалом) та негативний (з більш низьким потенціалом). Сторонні сили, природа яких може бути різною (хімічною, механічною, тепловою), поділяють заряди у джерелі струму. Повна ЕРС в ланцюгу постійного струму (максимальна з цих напруг, що існує при розімкнутому ланцюгу), дорівнює різниці потенціалів на кінцях розімкнутого ланцюга і показує ЕРС джерела. (див.ЕРС визначає силу струму в ланцюгу при заданому його опорі (Ома законОМА ЗАКОН) (див.). Вимірюється ЕРС, як і напруга, у вольтахВОЛЬТ) (див.. Для підтримки безперервного електричного струму використовуються генератори, що є джерелом електродвигуна. У генераторах сторонні сили - це сили з боку вихрового електричного поля, що виникає при зміні магнітного поля з часом, або сила Лоренца, що діє з боку магнітного поля на електрони в провіднику, що рухається; у гальванічних елементах (див.ГАЛЬВАНІЧНИЙ ЕЛЕМЕНТ)та акумуляторах - це хімічні сили.
Енциклопедичний словник. 2009 .
Дивитись що таке "електрорушійна сила" в інших словниках:
Едс, фіз. величина, що характеризує дію сторонніх (непотенційних) сил у джерелах пост. або перем. струму; у замкнутому провідному контурі дорівнює роботі цих сил по переміщенню одиничного покладе. заряду вздовж контуру. Якщо через Есгр… … Фізична енциклопедія
електрорушійна сила- Скалярна величина, що характеризує здатність стороннього поля та індуктованого електричного поля викликати електричний струм. Примітка — Електрорушійна сила дорівнює лінійному інтегралу напруженості стороннього поля та індуктованого. Довідник технічного перекладача
- (ЕРС), сума РОЗДРІБ ПОТЕНЦІАЛІВ по ЕЛЕКТРИЧНОМУ ЛАНЦЮГУ в цілому. Коли ланцюг розімкнений і струм не йде, ця сила дорівнює різниці потенціалів між клемами джерела струму. Коли струм у ланцюгу є, зовнішня різниця потенціалів зменшується. Науково-технічний енциклопедичний словникВеликий Енциклопедичний словник
- (е. д. с.), причина, що викликає в замкнутому ланцюзі електр. струм. е. с. створюється джерелом струму, що перетворює на електр. енергію якийсь інший вид енергії (механ. в електр. генераторах, хім. в елементах і т. д.). Якщо ланцюг джерелом струму. Технічний залізничний словник
Електрорушійна сила- скалярна величина, що характеризує здатність стороннього поля та індуктованого електричного поля викликати електричний струм.
Для підтримки електричного струму в провіднику тривалий час, необхідно щоб від кінця провідника, що має менший потенціал (врахуємо, що носії струму передбачаються позитивними зарядами) постійно забиралися заряди, що доставляються струмом, при цьому до кінця з великим потенціалом заряди постійно підводилися. Тобто слід забезпечити кругообіг зарядів. У цьому кругообігу заряди повинні переміщатися замкненим шляхом. Рух носіїв струму у своїй реалізується з допомогою сил неэлектростатичного походження. Такі сили називаються сторонніми. Виходить, що для підтримки струму потрібні сторонні сили, які діють протягом усього ланцюга або на окремих ділянках ланцюга.
Визначення та формула ЕРС
Визначення
Скалярна фізична величина, яка дорівнює роботі сторонніх сил щодо переміщення одиничного позитивного заряду, називається електрорушійною силою (ЕРС), що діє в ланцюзі або на ділянці ланцюга. ЕРС позначається. Математично визначення ЕРС запишемо як:
де A – робота сторонніх сил, q – заряд, з якого виконується робота.
Електрорушійна сила джерела чисельно дорівнює різниці потенціалів на кінцях елемента, якщо він розімкнуто, що дає можливість виміряти ЕРС по напрузі.
ЕРС, яка діє в замкнутому ланцюгу, може бути визначена як циркуляція вектора напруженості сторонніх сил:
де - Напруженість поля сторонніх сил. Якщо напруженість поля сторонніх сил не дорівнює нулю тільки в частині ланцюга, наприклад, на відрізку 1-2, інтегрування у виразі (2) можна вести тільки по даній ділянці. Відповідно, ЕРС, що діє на ділянці ланцюга 1-2 визначається як:
Формула (2) дає загальне визначення ЕРС, яке можна використовувати для будь-яких випадків.
Закон Ома для довільної ділянки ланцюга
Ділянку ланцюга, у якому діють сторонні сили, називають неоднорідним. Для нього виконується рівність:
де U 12 =IR 21 - падіння напруги (або напруга) на ділянці ланцюга 1-2 (I-сила струму);
- Різниця потенціалів кінців ділянки;
– електрорушійна сила, яку містить ділянку ланцюга.
дорівнює алгебраїчній сумі ЕРС всіх джерел, що знаходяться на даній ділянці.
Слід враховувати, що ЕРС може бути позитивною та негативною. ЕРС називають позитивною, якщо вона збільшує потенціал у напрямку струму (струм тече від мінусу до плюсу джерела).
Одиниці виміру
Розмірність ЕРС збігається із розмірністю потенціалу. Основною одиницею виміру ЕРС у системі СІ є: =ВПриклади розв'язання задач
прикладЗавдання.
Електрорушійна сила елемента дорівнює 10 В. Він створює в ланцюзі силу струму рівну 0,4 А. Яка робота, яку виконують сторонні сили за 1 хв?
Рішення.
В якості основи для розв'язання задачі використовуємо формулу для обчислення ЕРС:
Заряд, який проходить у ланцюгу, що розглядається, за 1 хв. можна знайти як:Виразимо з (1.1) роботу, використовуємо (1.2) для обчислення заряду, отримаємо:
Одиниці виміру
Розмірність ЕРС збігається із розмірністю потенціалу. Основною одиницею виміру ЕРС у системі СІ є: =ВПереведемо час, даної в умовах задачі в секунди (хв = 60 с), проведемо обчислення:
Відповідь.
A=240 Дж
Думаю, вам вже знайома водонапірна вежа з минулої статті про
Припустимо, що вежа повністю заповнена водою. Знизу вежі ми просвердлили отвір і врізали туди трубу, якою вода біжить до вас додому.
Сусід захотів полити огірки, ви вирішили помити автомобіль, мати затіяла прання та вуаля! Потік води став меншим і меншим, і незабаром зовсім вичерпався… Що трапилося? Закінчилась вода у вежі.
Час, який буде потрібно, щоб спустошити вежу, залежить від ємності самої вежі, а також від того, скільки споживачів користуватиметься водою.
Все те ж саме можна сказати і про радіоелемент конденсатор:
Припустимо, ми його зарядили від батарейки 1,5 вольта і він прийняв заряд. Намалюємо заряджений конденсатор ось так:
Але як тільки ми чіпляємо до нього навантаження (нехай навантаженням буде світлодіод) за допомогою замикання ключа S, у перші частки секунд світлодіод світитиметься яскраво, а потім тихенько згасатиме… і поки що повністю не згасне. Час згасання світлодіода залежатиме від ємності конденсатора, а також від того, яке навантаження ми чіпляємо до зарядженого конденсатора.
Як я вже сказав, це рівнозначно простий наповненій вежі та споживачам, які користуються водою.
Але чому тоді у наших вежах вода ніколи не закінчується? Та тому що працює насос подачі води! А звідки цей насос бере воду? Зі свердловини, яка пробурена для видобутку підземних вод. Іноді її ще називають артезіанською.
Як тільки вежа повністю заповниться водою, насос вимикається. У наших водовежах насос завжди підтримує максимальний рівень води.
Отже, давайте згадаємо, що таке напруга? За аналогією з гідравлікою – це рівень води у водовежі. Повна вежа – це максимальний рівень води, отже максимальна напруга. Немає у вежі води – напруга нуль.
ЕРС електричного струму
Як пам'ятаєте з минулих статей, молекули води – це “електрони”. Для виникнення електричного струму електрони повинні рухатися в одному напрямку. Але щоб вони рухалися в одному напрямку, має бути напруга і якесь навантаження. Тобто вода у вежі – це напруга, а люди, які витрачають воду для своїх потреб – це навантаження, оскільки вони створюють потік води із труби, що знаходиться біля підніжжя водовежі. А потік – це не що інше, як сила струму.
Також має дотримуватися умова, що вода повинна завжди бути на максимальній позначці, незалежно від того, скільки людей витрачає її на свої потреби одночасно, інакше вежа спустошиться. Для водовежі цим рятівним засобом є водонасос. А електричного струму?
Для електричного струму має бути якась сила, яка штовхала б електрони в одному напрямку протягом тривалого часу. Тобто ця сила має рухати електрони! Електрорушійна сила!Так, саме так! ЕЛЕКТРОРУШІЙНА СИЛА! Можна назвати її скорочено ЕРС - Еелектро Дбачить Змулу. Вимірюється вона у вольтах, як і напруга, і позначається переважно буквою E.
Значить, у наших батарейках також є такий "насос"? Є, і правильніше було б його назвати "насос подачі електронів"). Але, звісно, так ніхто не каже. Кажуть просто – ЕРС. Цікаво, а де захований цей насос у батарейці? Це електрохімічна реакція, через яку тримається "рівень води" в батарейці, але потім все-таки цей насос зношується і напруга в батарейці починає просідати, тому що "насос" не встигає качати воду. Зрештою, він повністю ламається і напруга на батарейці стає практично нуль.
Реальне джерело ЕРС
Джерело електричної енергії – це джерело ЕРС із внутрішнім опором R вн. Це можуть бути будь-які хімічні елементи живлення, на кшталт батарейок та акумуляторів
Їхня внутрішня будова з точки зору ЕРС виглядає приблизно так:
Де E– це ЕРС, а R вн– це внутрішній опір батареї
Отже, які висновки можна зробити із цього?
Якщо батареї не чіпляється ніяке навантаження, типу лампи розжарювання тощо, то в результаті сила струму в такому ланцюгу дорівнюватиме нулю. Спрощена схема буде такою:
Але якщо ми все-таки приєднаємо до нашої батарейки лампочку розжарювання, то у нас ланцюг стане замкнутим і в ланцюзі буде текти струм:
Якщо накреслити графік залежності сили в ланцюгу струму від напруги на батарейці, то він виглядатиме ось так:
Який напрошується висновок? Для того, щоб виміряти ЕРС батарейки, нам досить просто взяти гарний мультиметр з високим вхідним опором та заміряти напругу на клемах батареї.
Ідеальне джерело ЕРС
Припустимо, нехай наша батарейка має нульовий внутрішній опір, тоді виходить, що R вн =0.
Неважко здогадатися, що в цьому випадку падіння напруги на нульовому опорі також дорівнюватиме нулю. В результаті, наш графік набуде такого вигляду:
В результаті ми отримали просто джерело ЕРС. Отже, джерело ЕРС - це ідеальне джерело живлення, у якого напруга на клемах не залежить від сили струму в ланцюзі. Тобто, яке навантаження ми б не чіпляли на таке джерело ЕРС, у нас він все одно видаватиме напругу без просідання. Саме джерело ЕРС позначається так:
Насправді ідеального джерела ЕРС немає.
Типи ЕРС
– електрохімічна(ЕРС батарейок та акумуляторів)
– фотоефекту(Отримання електричного струму від сонячної енергії)
– індукції(генератори, які використовують принцип електромагнітної індукції)
– Ефект Зеєбека або термоЕРС(Виникнення електричного струму в замкнутому ланцюгу, що складається з послідовно з'єднаних різнорідних провідників, контакти між якими знаходяться при різних температурах)
– п'єзоЕРС(Отримання ЕРС від )
Резюме
ЕРС – це сила НЕелектричного походження, яка змушує текти електричний струм у ланцюзі.
Реальнийджерело ЕРС має в собі внутрішній опір, у ідеальногоджерела ЕРС внутрішній опір дорівнює нулю.
Ідеальне джерело ЕРС завжди має на своїх клемах постійне значення напруги незалежно від навантаження в ланцюзі.
Електродвигуна сила (едс; ε) - величина, що характеризує джерело енергії неелектростатичної природи в електричному ланцюзі, необхідний для підтримки в ній електричного струму. Потенційні сили електростатичного (або стаціонарного) поля не можуть підтримувати постійний струм у ланцюзі. Для підтримки в ланцюзі безперервного струму необхідний або генератор електричного струму, що забезпечує дію сторонніх сил. Сторонні сили мають неелектростатічне походження і діють усередині джерел струму, (генераторів, гальванічних елементів, акумуляторів і т. д.), створюючи різницю потенціалів між кінцями решти ланцюга і рухаючи заряджені частинки всередині джерел струму.
Так як при переміщенні електричного заряду по замкнутому ланцюзі робота, що здійснюється електростатичними силами, дорівнює нулю, то заряд переміщається лише під дією сторонніх сил. Тому електрорушійна сила джерела струму буде чисельно дорівнює роботі сторонніх сил А в джерелах постійного або змінного струму переміщення одиничного позитивного заряду Q уздовж замкнутого ланцюга. ЕРС, що діє в ланцюзі, визначається як циркуляція вектора напруженості сторонніх сил.
Походження сторонніх сил може бути різним. Як міра електрорушійної сили, що діє в генераторі, приймають різницю потенціалів, створювану на затискачах розімкнутого генератора. Один і той же джерело струму, залежно від сили струму, що відбирається, може мати різну напругу на електродах. Джерела струму – акумулятори, термоелементи, електричні генератори – одночасно замикають електричний ланцюг. Струм тече по зовнішній частині ланцюга - провіднику та по внутрішньому - джерелу струму. Джерело струму має два полюси: позитивний (з більш високим потенціалом) та негативний (з більш низьким потенціалом). Сторонні сили, природа яких може бути різною (хімічною, механічною, тепловою), поділяють заряди у джерелі струму. Повна ЕРС в ланцюгу постійного струму (максимальна з цих напруг, що існує при розімкнутому ланцюгу), дорівнює різниці потенціалів на кінцях розімкнутого ланцюга і показує ЕРС джерела.
ЕРС визначає силу струму в ланцюзі при заданому опорі (Ома закон). Вимірюється ЕРС, як і напруга, у вольтах. Для підтримки безперервного електричного струму використовуються генератори, що є джерелом електродвигуна. У генераторах сторонні сили - це сили з боку вихрового електричного поля, що виникає при зміні магнітного поля з часом, або Лоренца сила, що діє з боку магнітного поля на електрони в провіднику, що рухається; у гальванічних елементах та акумуляторах - це хімічні сили.