Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №1»

Исследование коэффициента трения зимней обуви о различную поверхность

Подготовила: Гагаткина В.

Учащаяся 9А класса.

Руководитель: Харлова Г.С.

Учитель физики.

Алапаевск

2022

Оглавление

Введение        3

I Теоретическая часть.        6

1.Трение.        6

2.История обувной подошвы        7

3. Материалы подошв современной обуви.        10

4. Методика проведения эксперимента        11

II Практическая часть        12

1.Результаты анкетирования        12

Результаты анкеты:        13

2.Определение зависимости силы трения и коэффициента трения отсилы   давления.        15

Заключение        18

Список литературы        19

Приложения        20

Введение

Трение -процесс взаимодействия твёрдых тел при их относительном движении (смещении) либо при движении тела в газообразной или жидкой среде.

Обувь – изделие для защиты ног от внешних воздействий и несущее утилитарные и эстетические функции.

Возникновение обуви неразрывно связано с приспособлением первобытных людей к окружающей среде, с естественной потребностью защитить тело от неблагоприятных природных воздействий (жары, холода, влаги и пр.) и от механических повреждений. Примитивная обувь представляла собой куски шкуры, обернутые вокруг стоп и привязанные в нескольких местах. Формирование обуви происходило обычно на ноге. Кроме шкур для изготовления обуви первобытные люди использовали кору и лыко деревьев, войлок, папирус, камыш.

В своей работе я хотела бы рассказать об коэффициенте трения зимний обуви о поверхность. Тема, выбранная мной и мои исследования, опираются на связь законов физики с биологией, медициной и математикой. Тема очень актуальна и интересна.

Актуальность:

В моей семье 2 маленьких детей. При прогулке с ними я заметила, что они стали очень часто падать. Тогда я задумалась и поняла, что скорее всего это зависит от материала изготовления подошвы. И решила узнать, какая подошва наиболее безопасна для прогулок, чтобы сократить число падений. Мы должны найти обувь подошва которой имеет наибольший коэффициент трения.

Цель моей работы:

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

Для достижения данной цели я поставила следующие задачи:

1.Изучить основы сухого трения

2.Провести анкетирование, чтобы узнать мнения учащихся и преподавателей нашей школы о зимней обуви; провести анализ полученных данных.

3.Измерить коэффициент трения скольжения материала обувной подошвы о различную поверхность.

4.  Изучить теоретические основы трения.

5. Измерить коэффициент трения скольжения материала обувной подошвы о различную поверхность.

6.Провести анализ полученных результатов измерений и выявить наиболее приемлемые варианты обуви.

7. Ознакомить всех учениц школы с результатами данной работы.

Предмет исследования - Зимняя обувь на полиуретане, термополиуритане и поливинилохлориде.

 Объект исследования - Коэффициент трения обуви о различную поверхность.

Гипотеза - Если знать коэффициент трения подошвы обуви из разных материалов, то можно выбрать самую безопасную обувь

Методы исследования:

теоретические методы - методы систематизации теоретического материала, исследовательские методы, обобщение накопленного материала, изучение и анализ научной и публицистической литературы по проблеме исследования, моделирование, исторический анализ и интерпретация полученных результатов исследования;

экспериментальные методы - опорно-диагностические (анкетирование); обсервационные методы наблюдение, фиксирование результатов исследования, эксперимент;

статистические методы - математические методы обработки результатов исследования, табличная и графическая интерпретация данных, математические расчеты с использованием физических формул.

I Теоретическая часть.

1.Трение.

Трение - явление, которое сопровождает нас всегда и везде. В одних случаях оно полезно, и его пытаются увеличить. В других - вредно, и его пытаются уменьшить.        

Сила трения - сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого и направленная вдоль поверхности соприкосновения взаимодействующих тел против относительной скорости их движения. (приложение 1)

Если соприкасаются твёрдые поверхности, трение называют сухим. Причиной сухого трения является шероховатость трущихся тел. Сила, прижимающая тело к поверхности и перпендикулярная ей, называется силой нормального давления Ν. Чем больше сила, прижимающая тело к поверхности, тем больше возникающая при этом сила трения. Это в 1781 году экспериментально установил Шарль Кулон.         

Здесь Р – вес тела (это сила, с которой вследствие притяжения Земли тело давит на опору), а коэффициент пропорциональности μ – коэффициент трения – определяется шероховатостью соприкасающихся поверхностей. Чем более гладкая поверхность, тем меньше коэффициент трения.

В зависимости от вида движения различают трение покоя, трение скольжения и трение качения. В своей работе мы изучаем силу трения скольжения.      

2.История обувной подошвы

История обуви насчитывает не одно тысячелетие. Ученые полагают, что первые ботинки были сделаны во время ледникового периода. В то время возникла необходимость покрытия для ног, чтобы защитить ноги от окружающей среды. Хотя потребность в предохраняющем покрытии ноги, возможно, возникла уже более 500 тысяч лет назад, особенно в северных странах. Идея защитной обуви или ботинки пришли гораздо позже, обувь не использовалась широко примерно 26000 – 40000 лет назад.

Наука не может сказать наверняка, почему люди перестали ходить босиком. До появления ботинок, люди были большие, сильные, свои гибкие пальцы они использовали   для захвата, а также баланса тела. При использовании жесткой подошвы, обувь начала предоставлять больший контроль, стало легче поддерживать баланс тела.  У людей, кто регулярно носил обувь, проявлялось ослабление ног, уменьшение мышц, утолщение кости.До середины прошлого века, до 1932 года, фактически вся подошва всех цивилизаций делалась из натуральной кожи. Естественно, с дорогами в те времена были сложности и обычно подошву меняли раз за сезон, используя один верх. Россия ничем не отличалась от остального мира, и профессия сапожника, меняющего подошвы на сапогах, была одной из самых востребованных.

Сапоги носили тогда и женщины, и мужчины, потому что высокая верхняя часть этого вида обуви хорошо защищала ноги от грязи и воды. Называлась эта часть «халявой», и фраза «отдам сапоги на халяву» означала, что от обуви остался только верх, а подошва, которая была самой сложной и дорогостоящей частью обуви, уже вся в дырках. Был небольшой процент подошв из натурального каучука, но изделия эти стоили просто сумасшедших денег, и позволить себе обувь на резиновом ходу могли только очень обеспеченные люди.

Причина в том, что натуральный каучук растёт только на экваторе и только в определённых странах: в Бразилии и Таиланде, причем все попытки вырастить каучуковые деревья чуть севернее или южнее заканчивались неудачей. А спрос на каучук был огромный: военная промышленность, зарождающаяся автомобильная, нуждались в этом материале. Знать и богачи хотели прорезиненные плащи и обувь на резиновом ходу. Спрос многократно превышал предложение, и цены на сырьё были заоблачные.

Бразилия в то время построила всю свою экономику вокруг небольшого района произрастания каучукового дерева. Дошло до того, что за плодоносящее каучуковое дерево отдавали целое состояние, и эта ситуация очень напоминала тюльпановую лихорадку в Голландии. В Таиланде, где после многочисленных попыток вырастить каучук это удалось сделать на острове Пхукет, до сих пор действует закон о том, что на земле, отведённой под каучуковые деревья, нельзя выращивать и строить ничего больше, пока деревья не станут старыми.

Многие научные лаборатории трудились над созданием искусственного заменителя, и в 1901 году это удалось сделать русскому химику И. Кондакову. Однако первая промышленная партия искусственного каучука была выпущена в Германии. На основе работ Кондакова было произведено 3000 тонн материала, который полностью пошел на нужды военной промышленности. Однако синтетический каучук значительно уступал натуральному, производство засекретили и законсервировали. И уже в 1932 году советский ученый С.В. Лебедев разработал недорогой и эффективный метод производства синтетического каучука.

 Следующей была Германия, которая смогла повторить успех в 1936 году. Значение этих событий сложно переоценить: за несколько лет обе страны переоборудовали инновационными изделиями всю армию и промышленность, люди по всему миру получил непромокаемую подошву, значительно превосходящую кожаную по всем эксплуатационным характеристикам.

3. Материалы подошв современной обуви.

Сегодня на рынке легкой промышленности представлено большое количество разнообразных моделей обуви, изготовленной из различных материалов. Подошва является важным элементом обуви, которая защищает ее от износа и определяет срок службы. К самым популярным материалам подошвы относятся: полиуретановая, терм полиуретановая, поливинилхлоридная, этиленвинилацетатная,термопластичная резина, термоэластопластноя.

Подошва из полиуретана: Полиуретан создается из двух полимеров путем смешивания. После вступления в реакцию друг с другом, они образуют воздушные пузырьки, что придаёт готовой подошве способность поглощать удары. Материал пористый, шероховатый. Полиуретан имеет очень низкую плотность, поэтому мало весит, подошва получается очень легкая и умеренно гибкая. Он устойчив к истиранию, отличается высокой теплоизоляцией (Приложение2)

Подошва из термополиуретана: Термополиуретан производится путем воздействия на полиуретан высоким давлением и температурой.  Материал очень плотный, гладкий на ощупь. Высокая плотность позволяет изготавливать подошвы со сложными рисунками, которые смотрятся очень красиво.  Из него можно изготавливать подошвы с глубоким протектором, которые обеспечивают отличное сцепление с поверхностью. Термополиуретан имеет высокую износостойкость, обеспечивает хорошее сцепление с любыми поверхностями, его очень сложно деформировать, порезать или проколоть (Приложение 3)

Подошва из поливинилхлорида: Поливинилхлорид - термопластичный полимер. Материал гладкий на ощупь, обычно полупрозрачный, тяжелый, выглядит добротно. Протектор простой, с геометрическими простыми фигурами. Полимерные подошвы очень износостойкие, крепкие, не деформируются и не скользят (Приложение 4)

4. Методика проведения эксперимента

Для измерения силы используется прибор, который называется динамометр (от греч. динамис – сила, метрео – измеряю). Для того, чтобы измерить силу тяжести, тело нужно подвесить к крючку динамометра.

Для того, чтобы измерить силу трения скольжения, надо прикрепить к телу динамометр, а затем равномерно двигать тело по поверхности, держа динамометр горизонтально. На тело в горизонтальном направлении действуют две силы. Одна сила – сила упругости пружины динамометра, направленная в сторону движения. Вторая сила – это сила трения, направленная против движения. Так как тело движется равномерно, это значит, что равнодействующая этих двух сил равна нулю. Следовательно, эти силы равны по модулю, но противоположны по направлению. Динамометр показывает силу упругости (силу тяги), равную по модулю силе трения.

Таким образом, измеряя силу, с которой динамометр действует на тело при его равномерном движении, мы измеряем силу трения скольжения.

Методика эксперимента

1. Измерить силу тяжести, действующую на обувь с различной подошвой. Для этого подвесить обувь к динамометру.
2. Прикрепленную к динамометру обувь тянуть равномерно по горизонтальной поверхности на протяжении примерно одного метра и снять показания динамометра в этом положении.
3. Для повышения точности результата повторить опыт на каждой поверхности 5 раз, найти среднее значение силы трения, рассчитать коэффициент трения.

4. Повторить эксперимент с другими подошвами и полученные результаты занести в таблицы.

5)Рассчитать погрешность измерений и сделать выводы.

II Практическая часть

1.Результаты анкетирования

Для начала я решила провести анкетирование, чтобы узнать, что думают о обуви ученики нашей школы. Всего в анкетировании участвовало 200 человек. Анкета включала в себя следующие вопросы.

1) Знаете ли вы, что материал подошвы существенно влияет на трение при ходьбе?

А. Да           Б. Нет

2) Знаете ли вы о физических свойствах и характеристиках различных материалов для изготовления подошв?

А. Да           Б. Нет

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

А. Да           Б. Нет

4)Какую обувь вы предпочитаете?

А. ботинки   Б.уги    В. сапоги    Г. кроссовки

Результаты анкеты:

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

Мы выяснили, что 86% людей не знаю из какого материала сделана их обувь

2.Знаете ли вы о физических свойствах и характеристиках различных материалов для изготовления подошвы?

Мы выяснили что 67% людей не знаюто физических свойствах и характеристики различных материалов для изготовления подошвы

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

Мы выяснили, что 63% людей при покупке обуви не интересуются, из какого материала изготовлена подошва

4.Какую обувь вы предпочитаете?

Мы выяснили что 30% людей носят кроссовки, 28% людей носят ботинки, 25% людей носят сапоги и всего 17% носят уги.

2.Определение зависимости силы трения и коэффициента трения отсилы   давления.

1. Измерила силу тяжести, действующую на обувь с резиновой подошвой. Для этого подвесила его к динамометру ( Приложения 5,6)

2. Положила обувь с резиновой подошвой на деревянную поверхность и протянула его с равномерной скоростью приблизительно около метра, сняв показания динамометра в этом положении ( Приложение 7)

3.Повторила опыт, подсчитала среднее значение силы трения для получения более точных результатов, вычислила коэффициент трения.

4. Протянула обувь по льду и кафельной плитке н крылечке школы сняла показания динамометра ( Приложения 8)

5. Повторила опыты и подсчитала среднее значение силы трения для получения более точных результатов, вычислила коэффициент трения.

6.Полученные данные занес в таблицы.

Определение коэффициента трения на сухой поверхности

1) Галош:

Fтяж=0,54Н

Fтр=0,1Н

µ===0,2

2) Уг:

Fтяж=1,72Н

Fтр=0,48Н

µ===0,3

3) Ботинок:

Fтяж=1,62Н

Fтр=1,4Н

µ===0,86

Определение коэффициента трения о лёд

1) Галоша:

Fтяж= 0,54

Fтр=0,108

µ===0,2

2) Уг:

Fтяж= 1,72

Fтр=0,1198

µ===0,069

3) Ботинок:

Fтяж= 1,62

Fтр=0,2974

µ= =

Вывод:

Коэффициент трения у ботинок с подошвой из термополиуретана больше. Следовательно, Fтр этой подошвы больше и вероятность поскользнутся меньше. Коэффициент трения галош и уг с подошвой из  полиуретана меньше. Следовательно, вероятность упасть больше

Заключение

В результате работы поставленная цель достигнута. В процессе экспериментов было исследовано трение подошв обуви из разных материалов о поверхности кафельной плитки крыльца школы и льда. Гипотеза проекта, что если знать коэффициент трения подошвы обуви из разных веществ, то можно выбрать самую безопасную обувь, подтвердилась.

Были решены поставленные задачи: проведено анкетирование учащихся для выявления уровня осведомленности о материалах подошв обуви и их влияния на трение; определен на опыте коэффициент трения скольжения; выяснено, у каких материалов самый низкий коэффициент трения.

Хорошая зимняя обувь должна быть удобной и нескользкой, т.е. иметь максимальное сцепление с поверхностью. Это поможет избежать падений и травм практически на любой поверхности. Рекомендуем выбирать подошву из термополиуретана. Это мягкий, эластичный и легкий материал нового поколения. Обратите внимание на рифление: подошва не должна быть гладкой. Чем больше рисунок протектора, тем меньше скольжения. Помимо этого, подошва обязательно должна гнуться, чтобы не стеснять движений.

Результатом работы является осведомление учащихся рекомендациями для школьников и их родителей.

Список литературы

1. Обувной ликбез: из чего делаются обувные подошвы

2. Пёрышкин А.В. «Физика - 7»: Москва «Дрофа», 2013.

3. Елкин В.И. «Необычные учебные материалы по физике». «Физика в школе» библиотека журнала,   №16, 2000.

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

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

6. Виды подошвы для обуви.  http://dom-obuvi.su/vidy-podoshvy.html

7. Ильченко Е. Л., Субботина О. В., Смирнова Ю. А. Сменная обувь в школе // Юный ученый. — 2018. — №3. — С. 113-120. —         https://moluch.ru/young/archive/17/1232/

8. Сила трения. Формула. Определение.     http://electrophysic.ru/mehanika/sila-treniya.-formula.-opredelenie.-osnovnyie-ponyatiya.html

9.  Изображения взяты на сайте    http://yandex.ru

Приложения

1) Действие сил на подошву

2) Подошва                                3) Подошва                                                 4) Подошва

 из полиуретана                     из термополиуретана                         из поливинилхлорида

5)   6)

7)   8)