Изучение сил трения и определение коэффициентов трения

Цель работы: экспериментально определить коэффициент трения скольжения и трения покоя для различных трущихся поверхностей.

Приборы и принадлежности: установки для измерения коэффициентов трения скольжения в кинематическом и статическом режиме, набор тел разной формы, изготовленных из различных материалов, разновес.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

ВИДЫ ТРЕНИЯ

Трение играет большую роль в природе и технике. Посредством трения осуществляется необратимый переход всех видов энергии в теплоту. Благодаря трению приходит в движение и останавливается транспорт. Трение удерживает корни растений в почве.

В сельскохозяйственной практике на различии значений коэффициента трения у семян различных зерновых культур основано разделение смеси этих семян на составные части. Смесь зерна, например, овса и проса, медленно высыпается из бункера на движущуюся бесконечную ленту, расположенную под углом к горизонту. Угол наклона ленты подбирается так, чтобы зерна овса удерживались на ней силой трения и увлекались вверх, а зерна проса, у которых коэффициент трения с материалом ленты меньше, чем у зерен овса, скользили по ленте вниз. В результате зерна овса и проса ссыпаются с разных сторон «ленточного сепаратора».

В тех случаях, когда трение играет вредную роль, его уменьшают, помещая между трущимися поверхностями вязкую жидкость (смазку). Тем самым внешнее трение твердых тел заменяют значительно меньшим внутренним трением жидкости.

Другой способ уменьшения трения – замена скольжения качением. Коэффициент трения качения в десятки раз меньше коэффициента трения скольжения. Существенно, что сила трения качения обратно пропорциональна радиусу катящегося тела.

Всякое движущееся тело встречает сопротивление своему движению со стороны других тел, с которыми оно соприкасается. Это означает, что на тело действует сила трения, направленная противоположно относительному перемещению данного тела и приложенная по касательной к соприкасающимся поверхностям. Природа этих сил может быть различной, но в результате их действия всегда происходит превращение механической энергии во внутреннюю энергию трущихся тел, т.е. в энергию теплового движения частиц.

Различают внешнее /сухое/ и внутреннее /вязкое/ трение.

Внешним трением называют трение, возникающее в плоскости касания двух соприкасающихся тел при их относительном перемещении. Если соприкасающиеся тела неподвижны друг относительно друга, говорят о трении покоя, если же происходит относительное перемещение этих тел, то в зависимости от характера их относительного движения говорят о трении скольжения или качения /верчения/.

Внутренним трением называется трение между частями одного и того же тела, например между различными слоями жидкости или газа, скорости которых меняются от слоя к слою. В отличие от внешнего трения здесь отсутствует трение покоя. Если тела скользят относительно друг друга и разделены прослойкой вязкой жидкости /смазки/, то трение происходит в слое смазки и уменьшается в десятки раз.

Если слой смазки достаточно толстый, то возникающее трение называют гидродинамическим, а если слой смазки имеет толщину на 0,1мкм меньше, то возникающее трение называют граничным.

Рассмотрим некоторые закономерности внешнего трения. Это трение обусловлено шероховатостью соприкасающихся поверхностей, в случае же очень гладких поверхностей трение обусловлено силами межмолекулярного притяжения.

Внешнее трение делятна два типа в зависимости от характера движения соприкасающихся тел:

1. Статическое трение имеет место между двумя неподвижными телами. Его иначе называют трением покоя.

2. Кинематическое трение существует между движущимися телами. В зависимости от характера движения соприкасающихся тел, кинематическое трение подразделяют на: трение скольжения, трение качения и трение верчения.

СТАТИЧЕСКОЕ ТРЕНИЕ

Французские физики Г. Амонтон и Ш. Кулон опытным путем установили закон статического трения: предельное значение силы статического трения прямо пропорционально величине силы нормального давления тела на опору, т.е.

(1)

где - сила статического трения.

- сила нормального давления тела на опору, k- коэффициент пропорциональности, который называют коэффициентом статического трения. Это безразмерная величина. Как показывает опыт, он зависит от материала и состояния поверхностей соприкасающихся тел. Найдем значение коэффициента трения.

Если тело находится на наклонной плоскости с углом наклона (см.рис.), то оно придет в движение только тогда, когда тангенциальная составляющая силы тяжести будет больше силы трения, т.е. (2)

Как видно из рисунка, используя соотношения тригонометрии, запишем

и (3)

Подставив уравнение (3) в уравнение (1) и используя условие (2), получим уравнение для определения коэффициента статического трения k= (4.)

Коэффициент статического трения равен тангенсу угла,при котором начинается скольжение тела по наклонной плоскости.

Тела не проскальзывают друг относительно друга, если силы, касательные к поверхностиих соприкосновения, меньше сил трения.

Это используется в технике для передачи усилий от одних частей машин другим (ременные передачи, фрикционные муфты, ленточные транспортеры). На этом явлении основано скрепление деталей с помощью гвоздя и винтов, движение по поверхности Земли различных видов транспорта. Сила тяги автомобиля или трактора не может быть больше суммы предельных значений сил статического трения ведущих колес по поверхности дороги. При уменьшении значения k (например, обледенелость дороги, попадание масла на транспортер и т.д.) сила тяги может оказаться недостаточной, чтобы автомобиль двинулся с места или начала двигаться лента транспортера.

КИНЕМАТИЧЕСКОЕ ТРЕНИЕ

Трение скольжения.

Причиной трения скольжения является разрушение зацепившихся, друг за друга выступов, шероховатостей на соприкасающихся движущихся поверхностях. Пока внешняя сила > происходит лишь деформация выступов, при начинается скольжение. Чем более гладкие поверхности, тем меньше сила трения. Но, как показывает опыт, уменьшение шероховатостей должно быть проведено до определенного предела. Дальнейшееих уменьшение приводит к увеличению силы трения. Это связано с тем, что между плотно прилегающими частицами действуют значительные силы молекулярного притяжения.

Закон Амантона-Кулона для трения скольжения имеет такой же вид, что и для трения покоя (5)

Здесь k_ск. - коэффициент трения скольжения. Он также зависит от материала и состояния соприкасающихся поверхностей. Но кроме того, он зависит от скорости движения. При малых скоростях движения k_ск=k

Трение качения и верчения.

Довольно радикальным способом уменьшения силы трения является замена трения скольжения трением качения (шариковые и роликовые подшипники и т.д.). Коэффициент трения качения в десятки раз меньше коэффициента трения скольжения. Сила трения качения определяется по закону Кулона: . (6)

Здесь k_к - коэффициент трения качения,

(r- радиус катящегося тела.

Из уравнения (6) следует, что силатрения качения обратно пропорциональна радиусу катящегося тела.

Трение качения и трение верчения отличаются от трения скольжения поверхностями контакта. При качении точки контакта соприкасаются лишь на мгновение и одно тело вращается вокруг мгновенной оси, проходящей через точки контакта.

При верчении точки контакта соприкасаются длительно. В случае верчения трение связано со скольжением в местах контакта. Для его уменьшения применяют острия с малым радиусом закругления и увеличивают твердость острия поверхности.

Таблица 1. ЗНАЧЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ И ТРЕНИЯ КАЧЕНИЯ ДЛЯ НЕКТОРЫХ МАТЕРИАЛОВ

Материал	К	Материал	К
Сталь по стали	0,12-0,17	Железный обод по рельсам	0,003
Железо по чугуну	0,18	То же по асфальту	0,1
Металл по дереву	0,4-0,6	То же по песку	0,3-0,5
Сталь по льду	0,027	Резиновая шина по твердому грунту	0,4

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Для определения коэффициента трения покоя используют трибометр Это устройство, позволяющее отсчитывать угол наклона подвижной плоскости-1, относительно горизонтальной плоскости-2. Тангенс угла равен коэффициенту трения покоя при котором тело-3, положенное на плоскость-1 начинает двигаться. Угол отсчитывают по транспортиру-4.

Рисунок 1. Рисунок 2.

Для определения кинематического коэффициента трения требуется установка, устройство которой легко понять из рисунка 2. Тело-2 движется по плоскости-1 под действием силы натяжения нити, перекинутой через блок-4. Сила натяжения регулируется изменением веса груза-3.

Сила трения равна весу чашки с грузом, при котором тело-2 равномерно скользит по поверхности -1

(7)

где m - масса чашки с грузом, (k_ск- кинематический коэффициенттрения скольжения, - вес тела-2, m_т - масса тела-2, - ускорение силы тяжести.

Решая уравнение (2.7) относительно k_ск, получаем

k_ск = (8)

Нагружая тепо-2, замечаем, что движение его происходит при большей массе перегрузков, накладываемых на чашку-3. Но отношение всегда остается постоянным, равным коэффициенту трения.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Установите на трибометре одно из предлагаемых тели, медленно поднимая плоскость-2, заметьте угол, при котором тело начинает скользить,

2. Измерение проведите несколько раз, записывая данные в заранее приготовленную таблицу 2.

3. Подобные измерения произвести с другими образцами, предложенными преподавателем.

6. Определить коэффициент трения покоя для цилиндрических образцов одинакового диаметра, изготовленныхиз различных материалов по уравнению (4)

7. Сравнить коэффициенты трения скольжения и трения качения для одинаковых пар трущихся поверхностей.

8. Сравнить коэффициенты трения покоя и движения для одинаковых пар трущихся поверхностей.

Таблица 2. Определение статического коэффициента трения скольжения

Тело (параллелепипед)		tg cр	k
а	в	С
Дерево
Ср
Эбонит
Ср
Металл
Ср

Таблица 3. Определение коэффициента трения качения

Цилиндр		tg	k	k
Дерево 1 ср. знач.
Эбонит 1 ср. знач.

Таблица 4. Определение коэффициента трения скольжения

материал	m	mт	k	k
Металл по дереву
Дерево по дереву

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

1. Построить зависимость силы трения от силы нормального давления.

2. По полученной зависимости (графику) определить среднее значение коэффициента трения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Что такое сила трения? Как направлена сила сухого трения к поверхности тела?

2. Что называют трением покоя, трением скольжения, трением качения?

3. От чего зависит коэффициент трения?

4. Какие виды трения Вы знаете?

5. Какова единица измерения коэффициента трения?

6. Каково значение коэффициентов трения в сельском хозяйстве?

7. Приведите примеры использования сил трения при работе сельскохозяйственных машин.

8.Какое трение называют внутренним?

9. От чего зависит сила внутреннего трения?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4