Определение коэффицентов трения

СКОЛЬЖЕНИЯ И ПОКОЯ

Цель работы:ознакомиться с одним из способов измерения коэффициентов трения скольжения и покоя.

Требуемое оборудование: Модульный учебный комплекс МУК-М2, блок секундомер электронный СЭ1, блок механический БМ2.

Краткие теоретические сведения.Силой трения называется сила, возникающая при соприкосновении поверхностей двух тел и препятствующая их взаимному перемещению. Она приложена к телам вдоль поверхности их соприкосновения и направлена всегда противоположно относительной скорости перемещения. Если соприкасающиеся тела неподвижны друг относительно друга, то говорят о силе трения покоя; при относительном перемещении говорят о силе трения скольжения. В случае если одно из тел катиться по поверхности другого без проскальзывания, то говорят о трении качения.

Часть I. Определение коэффициента трения покоя.

Сила трения покоя не является однозначно определенной величиной. В зависимости от приложенной силы тяги величина силы трения покоя меняется от 0 до - того значения силы, когда брусок начинает двигаться. Поэтому

.

Обычно силой трения покоя называют максимальную силу трения покоя .

Сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения тел и пропорциональна силе нормального давления (а, следовательно, равной ей силе реакции опоры ):

(1)

Величина называется коэффициентом трения покоя. Коэффициент трения покоя зависит от трущихся материалов и от качества обработки поверхностей.

Для определения коэффициента трения удобно использовать наклонную плоскость (рис. 1). При медленном увеличении угла наклона плоскости можно найти такой угол , при котором брусок скачкообразно сдвинется с места и начнет скользить по плоскости. В данном случае на брусок будут действовать три силы: сила тяжести , сила реакции опоры и сила трения . Выберем направление координатной оси вдоль плоскости вниз, а координатной оси перпендикулярно плоскости вверх.

Рис. 1

При отсутствии ускорения равнодействующая всех трех сил равна нулю. Запишем систему уравнений исходя из второго закона Ньютона:

Из системы уравнений следует . Исходя из выражения (1) можно получить

. (2)

Методика эксперимента. Определить коэффициент трения покоя можно с помощью узла «плоскость», входящего в состав модульно учебного комплекса МУК-М2.

Рис. 2

Установка представляет собой наклонную плоскость 1, которую с помощью винта 2 можно устанавливать под разными углами к горизонту (рис.2). Угол измеряется с помощью шкалы 3. На плоскость может быть помещен брусок 4 массой . Предусмотрено использование двух брусков разной массы. Каждый брусок состоит из двух частей, изготовленных из различных материалов: дерево-дюраль и дерево-сталь.

Изменяя угол наклона плоскости можно найти такой угол, при котором брусок скачком сдвинется с места и начнет скользить по плоскости. Используя формулу (2) можно рассчитать коэффициент трения покоя бруска.

Задание к работе

1. Получите допуск к выполнению работы у преподавателя.

2. Ослабив винт 2 (рис.2), установите плоскость под углом 0⁰ к горизонту. Поместите брусок 4 (сталь-дерево) на наклонную плоскость в положении деревом вниз.

3. Медленно изменяя угол наклона плоскости, найдите такой угол, при котором брусок скачком сдвинется с места и начнет скользить по плоскости. Запишите угол наклона плоскости . Вычислите по формуле (2) коэффициент трения покоя .

4. Повторите опыт пятикратно. Проведите статистическую обработку результатов по стандартной методике и занесите все результаты в таблицу.

5. Повторите п.п. 1-3, повернув брусок в положение сталью вниз.

6. Повторите п.п. 1-4 для второго бруска, положив его дюралью вниз.

Часть II. Определение коэффициента трения скольжения.

При соскальзывании бруска с наклонной плоскости на него действует несколько сил: сила тяжести , сила нормальной реакции опоры и сила трения скольжения (см. рис. 1). Запишем уравнение динамики поступательного движения бруска в проекциях на оси координат:

.

Учитывая, что сила трения скольжения равна где - коэффициент трения скольжения, и решая систему уравнений (1), (2) и (3), получаем

. (3)

Величину ускорения можно найти, измерив пройденный бруском путь и соответствующее время :

(4)

Формула получена при нулевом значении начальной скорости, что соответствует условиям опыта. Подставляя (4) в (3), получаем рабочую формулу для определения коэффициента трения скольжения:

(5)

Методика эксперимента. Бруски закрепляются в верхней точке наклонной плоскости с помощью электромагнита 5, управление которым осуществляется с помощью электронного секундомера СЭ1 (см. рис. 2). Пройденное бруском расстояние измеряется линейкой 6, закрепленной вдоль плоскости. Время соскальзывания бруска измеряется автоматически с помощью датчика 7, выключающего секундомер в момент касания бруском финишной точки.

Задание к работе

1. Ослабив винт 2 (рис.2), установите плоскость под углом 35⁰ к горизонту, электромагнит при этом должен находиться в нижней части плоскости. Закрепите плоскость в таком положении, зажав винт 2.

2. Включите секундомер СЭ-1. Убедитесь, что он находится в режиме №1.

3. Поместите брусок с большей массой (сталь-дерево) на наклонную плоскость в положении деревом вниз, прижмите торец бруска, на который наклеена металлическая пластина, к электромагниту. Убедитесь, что брусок удерживается в этом положении.

4. Нажмите кнопку «Пуск» секундомера. При этом происходит одновременное отключение электромагнита и включение секундомера. Выключение секундомера происходит автоматически в момент удара бруска по финишному датчику.

5. Запишите время соскальзывания бруска , пройденный бруском путь , угол наклона плоскости . Вычислите по формуле (5) коэффициент трения скольжения .

6. Повторите опыт пятикратно. Проведите статистическую обработку результатов. Результаты занесите в таблицу.

7. Повторите п.п. 3-6, повернув брусок в положение сталью вниз.

8. Повторите п.п. 3-8 для второго бруска, поместив его дюралью вниз.

9. Сравните полученные в опыте значения коэффициентов трения скольжения с табличными и с результатами измерения коэффициентов трения покоя.

Примечание

· Ускорение свободного падения м/с².

Контрольные вопросы

1. Какова цель данной лабораторной работы?

2. Какова физическая сущность трения? В чем отличие сухого трения от вязкого? Какие виды внешнего (сухого) трения вы знаете?

3. В чем отличие силы трения скольжения от силы трения покоя?

4. От чего зависит сила трения покоя? Что такое коэффициент трения покоя?

5. Дайте определение коэффициента трения скольжения. Чем определяется его величина?

6. Почему движение бруска по наклонной плоскости в данном эксперименте считается равноускоренным?

7. Является ли измерение коэффициента трения покоя по формуле (2) прямым?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3