С помощью динамометра переместите брусок равномерно и прямолинейно по столу на некоторое расстояние. Чему равна работа, совершаемая на этом пути силой трения? Верните брусок в начальное положение по той же прямой. Чему равна полная работа силы трения на обоих участках движения бруска?

Чтобы подойти к решению задачи, нужно подробно рассмотреть теоретические аспекты, связанные с работой силы, силой трения и перемещением.

1. Работа силы Работа силы $ A $ определяется как произведение силы $ F $, перемещения $ s $, и косинуса угла между направлением силы и направлением перемещения: $$ A = F \cdot s \cdot \cos\alpha $$ Здесь:
   • $ F $ — величина силы (в Ньютонах, Н),
   • $ s $ — пройденное расстояние (в метрах, м),
   • $ \alpha $ — угол между направлением силы и направлением перемещения.

В данном случае сила трения действует вдоль поверхности стола и против направления движения бруска. Если брусок движется равномерно и прямолинейно, то угол между направлением силы трения и направлением перемещения равен $ 180^\circ $. Для $ \cos(180^\circ) $, как известно, значение равно $ -1 $. Это означает, что работа силы трения будет отрицательной, так как она направлена против движения.

1. Сила трения Сила трения скольжения $ F_{\text{тр}} $ рассчитывается по формуле: $$ F_{\text{тр}} = \mu \cdot F_{\text{н}} $$ Здесь:
   • $ \mu $ — коэффициент трения (зависит от материалов, из которых изготовлены поверхности),
   • $ F_{\text{н}} $ — нормальная сила (реакция опоры). Для горизонтальной поверхности $ F_{\text{н}} $ равна весу тела: $ F_{\text{н}} = m \cdot g $, где $ m $— масса тела, $ g $— ускорение свободного падения ($ \approx 9.8 \, \text{м/с}^2 $).

Таким образом, величина силы трения зависит от массы бруска, материала поверхности и коэффициента трения между ними.

1. Перемещение бруска Когда брусок перемещается равномерно и прямолинейно, сила, необходимая для его движения, должна быть равна силе трения (по модулю), чтобы компенсировать сопротивление движению. То есть сила, приложенная через динамометр, равна $ F_{\text{тр}} $.

При возвращении бруска в начальное положение, сила трения снова действует против направления движения. Поскольку движение равномерное и прямолинейное, условия остаются такими же.

1. Полная работа силы трения Работа силы трения за один участок пути, при перемещении бруска на расстояние $ s $, будет: $$ A_{\text{тр}} = F_{\text{тр}} \cdot s \cdot (-1) $$ где $ -1 $ появляется из−за $ \cos(180^\circ) = -1 $.

За два участка пути (туда и обратно), сила трения совершает работу дважды: один раз при движении вперед и второй раз при возвращении в исходное положение. Поскольку сила трения действует одинаково по модулю, но оба раза против направления движения, работа будет:
$$ A_{\text{полная}} = A_{\text{тр}} \cdot 2 = -2 \cdot F_{\text{тр}} \cdot s $$
Это означает, что полная работа силы трения на всем пути будет отрицательной.

1. Физический смысл отрицательной работы Отрицательная работа силы трения означает, что она забирает энергию у системы, препятствуя движению. В данном случае энергия, затрачиваемая для преодоления силы трения, преобразуется в тепло из−за трения между поверхностями.

Итак, для решения задачи важно знать:
− коэффициент трения $ \mu $,
− массу бруска $ m $,
− расстояние $ s $,
− ускорение свободного падения $ g $.

На основании этих данных можно рассчитать силу трения и работу силы трения, как за один участок пути, так и за оба.