Лабораторная работа М-19

Определение коэффициентОВ силы трения скольжения

Цель работы: определение коэффициента силы трения скольжения

Теоретическое содержание

По своему свойству сообщать ускорение различные силы ничем не отличаются, будь то сила тяготения, деформации, давления, трения или другая. Но, а отличие от всех у силы трения есть ряд особенностей, которые с точки зрения механики целесообразно изучить.

Т рение играет принципиальную роль не только во всех машинах и механизмах, но и вообще в движении твердых тел на земле (за исключением полета и плавания). Достаточно сказать, что при отсутствии трения не мог бы ходить человек. Различают сухое и жидкое трение, трение покоя, скольжения, качения. Подробно рассмотрим законы сухого трения возникающего при взаимодействии твердых тел независимо от того, покоятся ли эти тела или движутся. В первом случае говорят о трении покоя, во втором ‑ о трении скольжения. Пусть на столе лежит груз, связанный нитью с невесомой чашкой рис. 1. Тело покоится, сила трения покоя F_mp=0 Помещаем на чашку небольшой груз, тело по-прежнему покоится, т. к,

Рис.1

- сила натяжения нити). Eсли увеличивать груз на чашке и тело покоится, это означает, что увеличивается сила натяжения нити и сила трения покоя. Сила трения покоя может иметь разную величину и разное направление, изменяя направление силы мы изменяем направление силы трения.

По величине силы трения покоя не может превосходить некоторого определенного значения, которое называется максимальной силой трения покоя . Скольжение начинается, когда внешняя сила превосходит , при этом сила трения продолжает существовать и называется силой трения скольжения.

Механизм трения сложен. В первом приближении можно считать, что соприкасающиеся поверхности имеют микровыступы, при скольжении они смыкаются, возникают колебания и движения атомов, тепло растекается по обоим телам, происходит потеря энергии.

Рис.2

Эмпирический закон сухого трения сформулирован Кулоном:

где максимальная сила трения. К – коэффициент трения, N – сила нормального давления.

При больших значениях нормального давления, или быстром движении закон (1) не выполняется: выделяется много тепла. Т.е., как и у любого эмпирического закона, есть ограничения. Коэффициент трения К зависит oт природы тел и состояния соприкосновения поверхностей. Для определения К можно пользоваться методом предельного угла. Если два тела, для которых нужно измерить К положить друг на друга и затем наклонять их (рнс.2), то при угле наклона верхнее тело начнет скользить по нижнему. Угол назван предельным. К телу приложена сила тяжести и . Их результирующая равна силе

т. к. в момент начала движения , то

Существует ряд методов определения К, используем один из них метод «Рейсшины».

ОПИСАНИЕ У СТАНОВКИ

Установка состоит из доски А , расположенной горизонтально, и лежащей на ней рейсшины (рис.3). Рейсшина включает в себя линейку В, ползунок С и винт D, которым линейка может закрепляться под разными углами к ребру доски. При равномерном перемещении рейсшины по доске вправо, тело П будет совершать движение вдоль линейки вверх. Можно определить коэффициент трения между

Рис.3

линейкой и телом. На одной стороне тела укреплен слой резины, на другой - пластина из латуни. Линейка сделана из уголкового дюраля, что позволяет измерить коэффициент трения скольжения для 2 пар материалов, а именно: дюраль - латунь, дюраль – резина.

П еремещаем линейку вправо (рис.4), тело начинает двигаться под действием трех сил: N - силы реакции опоры, F_тр. - силы трения со стороны линейки, F_г - силы трения со стороны доски. Если брусок движется равномерно, то

(4)

Отметим, что направление сил И - фиксировано, а произвольно, зависит от направления результирующей сил и . Таким образом,

Рис.4

направление движения тела однозначно определяется соотношением сил и .

(5)

Центр массы тела переместился из точки М в точку M₁ (рис. 5). При этом

(6)

И из уравнения (3)

(7)

или

(8)

Здесь MM₂ - расстояние (длина перпендикуляра) между старым и новым положением линейки. Для отметок начального и конечного положения центра масс тело имеет в своем геометрическом центре отверстие. Отметка производится карандашом через по отверстие на

листе бумаги, положенной на доску.

Рис.5

ПОРЯДОК РАБОТЫ

1. На плоскость доски наложить и закрепить лист бумаги (27 х 17 см. лист из школьной тетради). На бумагу поместить линейку рейсшины под углом 45° к ребру доски. Линейку сдвиньте до предела влево.

2. На бумагу к поверхности линейки приложите тело (соприкасающиеся поверхности дюраль-латунь) и аккуратно остро отточенным карандашом отметьте начальное положение центра М.

3. Прижимая ползунок к ребру доски, плавно и равномерно переместите рейсшину вправо до упора.

4. Осторожно не сдвигая при этом тело, отметьте новое положение центра масс М₁). Соединив прямой точки М и M₁, получить траекторию движения центра масс тела (получить не менее пяти таких прямых, для чего каждый раз несколько сметать начальное положение тела, чтобы траектории не располагались очень близко одна от другой).

5. Убрать тело и через полученную точку M₁ провести прямую, параллельную линейке. Из начальной точки М опустить перпендикуляр ММ₂ на проведенную прямую (использовать треугольник). Измерить расстояние MM₂ = и M₁M₂ = Результаты записать в таблицу 1.

6. Для того, чтобы убедиться в отсутствии влияния трения о доску на величину силы трения между линейкой и телом (т.е. что К =const для данной пары материалов) провести измерение, положив на тело разновес в 200г. Результаты записать в таблицу 1. Сопоставить полученные коэффициенты трения. Рассчитать среднее значение К для данной пары материалов. Сделать вывод.

7. Повторить опыт для угла наклона линейки = 50°. Убедиться что и для данной пары материалов значения К совпадают, величина угла не оказывает влияния. Результаты записать в таблицу 1. Рассчитать среднее значение К для данной пары материалов. Сделать вывод.

Таблица 1.

8. Перевернуть тело другой стороной. Теперь соприкасающиеся поверхности дюраль-резина. Для этой пары материалов определить коэффициент трения скольжения К, также как в случае дюраль-латунь (смотри пункты 1-7) Данные занести в таблицу 2. Сделать вывод.

Таблица 2.

9. Для одной пары материалов вычислять абсолютную и относительную погрешность: (9)

где - коэффициент Стьюдента для n число измерений, в нашем примере n= (число измерений для одной пары материалов) = 2,26.

10. Записать результаты в виде К ± К

11. Сделать выводы от чего зависит величина К.

Контрольные вопросы

1. Какое трение называют сухим, жидким? Трение покоя, скольжения?

2. От чего зависит величина силы трения скольжения?

3. Почему две пары материалов имеют различные коэффициенты трения скольжения при одинаковом качестве обработки поверхности?

При каком условии тело не будет перемещаться вдоль линейки?