Проект на тему "Лыжи и трение"

В итоговом индивидуальном проекте по физике на тему "Лыжи и трение" учащийся 10 класса изучил понятия "лыжная мазь" и "сила трения", а также выяснил от чего зависит сила трения и определил какие виды лыжной мази бывают, а также дал характеристику снегу и классифицировал и описал существующие типы снега.

Подробнее о работе:

В рамках исследовательской работы по физике на тему «Лыжи и трение» обучающийся 10 класса провел эксперимент с нанесением лыжной мази на скользящую поверхность лыж и обкатку лыж со спуска, при разных температурах снега, типах снега и различных его характеристиках, оформив результаты в таблицах и диаграммах.

В процессе работы над индивидуальным исследовательским проектом по физике о лыжах и трении учеником 10 класса отражены выводы о том, что сила трения играет важную роль в лыжном спорте. Также, в ходе опытов, было выяснено, что для спортсмена очень важно подобрать правильную мазь, поскольку от этого очень зависит его скорость.

Оглавление

Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Актуальность исследуемой темы
1.2. Цель
1.3. Задачи
1.4. Методы исследования
ГЛАВА 2. Лыжи и трение
2.1 Теория трения
2.2. Характеристика снега
2.2.1 Холодный снег
2.2.2 Нулевой снег
2.2.3 Мокрый снег
2.2. Типы снега
2.3. Лыжные мази
2.3.1 Мази скольжения
2.3.2 Мази держания
2.4. Подготовка лыж
2.5. Эксперимент. Изучение
2.5.1 План эксперимента
2.5.2 Условие проведения опыта
2.5.3 Первая серия опытов
2.5.4 Вторая серия опытов
2.5.5 Третья серия опытов
Заключение
Список литературы

Лыжи - одно из самых древних и самых остроумных изобретений человека.

Катание на них - это совершенно особое удовольствие, причем для каждого оно свое - кто-то неспешно бродит на них по заснеженному лесу, кто-то любит их за азарт, проявляющийся во время гонок по отполированной лыжне, кому-то нет покоя до тех пор, пока не появится возможность пронестись с захватывающей дух высоты горы вниз, а кого-то хлебом не корми - дай попрыгать с трамплина.

Занятия лыжным спортом, так же как лыжные прогулки и походы, невозможно представить без лыжных смазок. В настоящее время ведущие фирмы выпускают большое количество различных мазей и парафинов, что человеку, далекому от лыжного спорта, порой не просто разобраться, что к чему.

Существует много критериев выбора смазки, но все старания ведутся к тому, чтобы снизить коэффициент силы трения.

Занятия спортом стали сегодня неотъемлемой частью нашей жизни. Мы занимаемся плаванием, бегом, катанием на коньках и лыжах. Используем различные средства,приспособления, не задумываясь о их возможностях и улучшении их качеств. Считаю, что изучение влияния достижений физической науки на совершенствование спортивных достижений расширит кругозор и знания о практической значимости физики,продемонстрирует тесную связь физики и спорта.

Я увлекаюсь лыжным спортом, регулярно смотрю этапы чемпионата мира и болею за российскую сборную по биатлону (особенно за Александра Логинова и Алексея Слепова). Я взялся за эту исследовательскую работу, потому что мне было очень интересно узнать, почему у спортсменов одной сборной лыжи «катят» хорошо, а у другой плохо. Существует множество факторов успеха в лыжных гонках и биатлоне: сами лыжи, палки, обмундирование, физическая выносливость, тренированность лыжника и многое другое. Но темой данного реферата является изучение трибологических свойств лыж и смазок, поскольку именно они, при прочих равных условиях, определяют результат гонки.

• Рассмотреть виды трений, понять взаимодействие лыж и снега.
• Экспериментально определить, как скорость движения биатлониста зависит от эффективности различных смазок скольжения в условиях нашего климата.

• Изучить справочные материалы и узнать, что такое лыжная мазь и сила трения.
• Выяснить от чего зависит сила трения.
• Выяснить какие виды лыжной мази бывают.
• Провести эксперимент с нанесением лыжной мази на скользящую поверхность лыж и обкатку лыж со спуска.
• Сделать вывод
• Представить свою информацию.

• Теоретические (изучение, анализ, обобщение литературы);
• Экспериментальный (эксперимент, измерения);
• Интерпретационные (количественная и качественная обработка результатов).

Что такое сила трения? Классическое определение звучит так: сила трения – это сила, появляющаяся при соприкосновении двух тел во время движения и препятствующая этому самому движению. Иными словами, чем больше сила трения между телами, тем труднее их двигать относительно друг друга. Что же касается самой физической природы трения, то оно появляется как результат взаимодействия между атомами и молекулами тел, соприкасающихся между собой. Также стоит заметить, что при трении двух тел на них действует третий закон Ньютона: сила трения, действующая на первое тело (тело А), равна силе трения, действующей на второе тело (тело Б), только по модулю эти силы имеют противоположное направление.

Виды силы трения

В зависимости от характера движения тел различают такие виды сил трения как:

1. Покоя. Сила трения покоя возникает при соприкосновении двух тел, которые, однако, не движутся относительно друг друга, и имеет нулевое значение.
2. Скольжения. Сила трения скольжения – наиболее классическая иллюстрация действия трения, возникает при скольжении тел относительно друг друга. На ее величину влияет масса тела (чем она больше, тем больше сила трения), характер поверхности (разумеется, при скольжении по льду сила трения будет в разы меньше чем при скольжении по земле).
3. Качения. Сила трения качения появляется, когда одно тело катится по поверхности другого, например, при езде на велосипеде или автомобиле. При качении сила трения гораздо меньше, чем при скольжении. Это опытным, эмпирическим путем установили еще те далекие наши предки, которые изобрели колесо – величайшее изобретение в истории науки и техники.
4. Верчения. Сила трения верчения проявляется при вращении одного тела по поверхности другого.

Величина силы трения скольжения может быть рассчитана по формуле:
, где
k — коэффициент трения скольжения,
N — сила нормальной реакции опоры.

Для холодного и среднетемпературного снега достаточно легко подготовить лыжи. Кристаллы не такие острые, как при очень холодном снеге, и поэтому они не так глубоко проникают в мазь и не так сильно тормозят лыжи; структура кристаллов уже не такая жесткая, они становятся чуточку эластичнее. Оба этих фактора означают, что такой вид снега создает меньше трения.

Кроме того, в таком снеге содержание воды, как правило, не достаточно для того, чтобы привести к проблемам с подсасыванием. Практически все смазочные компании выпускают мази, которые хорошо работают от - 1°С до -7°С или 8°С.

Снег около 0°С таит в себе целый ряд трудностей. Обычно присутствует большое количество воды, и в то же время очень близка точка замерзания. Таким образом, проблема заключается как в подсасывании, так и в возможном обледенении. Современные мази скольжения (фторуглеродные) показывают свои лучшие качества в этом температурном диапазоне, а новые держащие мази, многие из которых содержат фторуглероды, работают в этих условиях намного эффективнее прежних.

Температуры выше точки замерзания (естественно, речь идет о температуре воздуха: снег не может быть выше 0°С, иначе он, собственно, перестает быть снегом) означают три вещи: Вероятно, будет присутствовать большое количество воды. Торможение подсасыванием, вызванное избытком воды, может быть минимизировано за счет активной структуры скользящей поверхности и применения фторуглеродов (далее "фторы") или "фторпарафинов" с целью уменьшения поверхностного натяжения. "Фторпарафнины'' - это мази с большей или меньшей концентрацией в них фторуглеродов, как противоположность "чистым" фторам, которые выпускаются в виде порошков или твердых брикетов.

В процессе таяния и замерзания кристаллы снега будут трансформироваться в более крупную и округлую структуру. Чем округлее становится кристалл, тем мягче требуется мазь - как для держания (клистеры), так и для скольжения. Это необходимо для того, чтобы более округлый кристалл мог проникнуть в мазь.

Порошкообразный снег
Порошкообразный снег имеет иглообразные кристаллы и образует покров с большой пористостью. Он выпадает при морозе или возникает из клейкого снега при наступлении морозов. Он является идеальным снегом для ходьбы на лыжах, так как он легок и дает хорошее скольжение лыжам.

Мучнистый снег
Мучнистый снег, наносимый ветром в низины или другие защищенные места, образует сначала мягкий (мучнистый), при замерзании прочный, часто волнообразный, с большими комьями пласт. Мелкие кристаллы порошкообразного снега растираются и скапливаются в очень плотные слои. В свободном состоянии он оказывает лыжнику при отталкивании очень небольшое сопротивление. Повышенная плотность уменьшает качество скольжения.

Крупчатка
Крупчатка возникает при испарении острых углов кристаллов порошкообразного снега и сплаве отдельных кристаллов при длительном лежании. Крупчатые и солеобразные зерна в сухом состоянии обладают очень хорошими скользящими качествами.

Изморозь
Изморозь возникает при высокой влажности воздуха и вырастает на снежном покрове в виде плоских кристаллов. По своим качествам они похожи на кристаллы порошкообразного снега. Изморозь в больших количествах сбрасывается с деревьев и имеет более грубую структуру.

Наст и фирн
Наст и фирн имеют одно происхождение и одинаковые зерна, которые после частой смены процессов таяния и замерзания могут достигнуть величины горошины. Наст – это фирновый снег, сросшийся в более или менее плотный пласт. Это самый быстрый снег, однако он затрудняет скольжение. Фирн состоит из зерен наста, которые отделяются друг от друга и округляются с помощью солнца, дождя и теплого воздуха.

Мокрый лежалый снег
Мокрый лежалый снег образуется, когда содержание влажности фирна становится слишком высоким и сильно проявляется загрязнение. Качества скольжения при этом нарушаются. При всех видах мелкозернистого снега повышенное содержание влажности вызывает поглотительное воздействие на нижнюю поверхность лыж и снижает ее скользящие качества.

Лыжные мази - группа химических веществ, используемых для улучшения скольжения лыж по снегу, либо для уменьшения отдачи (то есть нежелательного проскальзывания лыж назад). При передвижении на лыжах используется их способность скользить по снегу. Естественно, попытки улучшить скольжение не прекращаются до сих пор.

• Мази скольжения часто называют парафинами. Они нужны для улучшения возможности скольжения лыж и для увеличения скорости движения. Хорошие парафины держатся на скользящей поверхности до 20 км пробега. При выборе мази обязательно учитывают температуру воздуха.
• Мазь держания предотвращает отдачу и дает возможность сделать толчок. Именно поэтому мазь наносится на толчковую зону (колодку) длиной 35 — 45 см.

• На лыжи классического хода наносить вещества следует только на пяточную и носовую зоны;
• На лыжи конькового хода вещества наносятся на всю поверхность инвентаря.

1. Определить нужную температуру мази
2. Подготовить лыжи
3. Провести испытания

1. Разная температура снега
2. Разный тип снега
3. Разная характеристика снега

Проверить скорость скольжения лыж без мази и с мазью. Сравнить полученные результаты.
Оборудование: лыжное снаряжение, электронный измеритель скорости(gps)
Сначала я прошел дистанцию на лыжах без смазки.
Затем с применением мази скольжения

Мазь № 1: твердая, так как температура воздуха была -2
Мазь наносил согласно изученной информации, соблюдая инструкции и учитывая погодные условия.
По результатам составил таблицу зависимости максимальной скорости от мази (см. Таблицу 1).

Лыжи без мази	Лыжи с мазью
tвозд=-2	tвозд=-2
tмази=	tмази= от -3 до -1
Vмакс=26,8 км/ч	Vмакс=36 км/ч
	Твердая мазь

Таблица 1

На графике №1 изображена скорость лыж с мазью и без нее.

График №1

Вывод: Исходя из полученных измерений, мы можем сделать вывод, что присутствие подходящей лыжной мази очень влияет (скорость выросла почти на 10 км/ч)

Что будет, если использовать не подходящую мазь?

Оборудование: лыжное снаряжение, электронный измеритель скорости(gps)
Сначала я прошел дистанцию на лыжах с не подходящей по структуре и температурному режиму мазью. Затем с подходящей.
По результатам составил таблицу зависимости подходящей и не подходящей мази(см. Таблицу 2).

Лыжи с не подходящей мазью	Лыжи с подходящей мазью
tвозд=-30C	tвозд=-30C
tмази= от 0 до +3	tмази=от -3 до -2
Vмакс=22км/ч	Vмакс=40,1 км/ч
Полутвердая мазь	Твердая мазь

Диаграмма №2

На диаграмме №2 показана скорость лыж с подходящей и не подходящей мазью.
Вывод: Исходя из полученных измерений, мы можем сделать вывод, что очень важно подобрать нужную мазь, так как скорость изменяется почти в два раза

Для эксперимента были взяты лыжи, для смазки лыж использовались парафины для соответствующих диапазонов температур и влажности воздуха.
По результатам исследования мы составили таблицу (см. Таблица 3).

Мазь	Состояние внешней среды	Температура мази	Температура воздуха	25.12.20 график №1	Температура воздуха	26.12.20 график №2
№1	Влажный снег, любая структура	От +3° до -3°	-3	Хорошее скольжение	0	Отличное скольжение
№2	Средний снег, любая структура	От -2° до -5°	-3	Отличное скольжение	+1	Среднее скольжение
№3	Холодный снег (сухой), любая структура	От -5° до -7°	-3	Плохое скольжение, лыжи цепляются	+1	Ужасное скольжение (лыжи стоят)

Вывод: Исходя из полученных измерений, мы можем сделать вывод, что очень важно подобрать нужную мазь

В ходе исследовательского индивидуального проекта по физике на тему на тему "Лыжи и трение" я исследовал тему «Скольжение и лыжи». Узнал, какую роль играет сила трения в лыжном спорте. Так же, в ходе опытов, я выяснил, что очень важно подобрать мазь для спортсмена, ведь от этого очень сильно зависит его скорость.

1. Браун Н. Подготовка лыж. Полное руководство
2. Книга «Лыжные гонки. Учебник»-Тамара Раменская
3. Физика 11 класс А.В. Перышкин
4. Свободная энциклопедия Википедия [Электронный ресурс]