изучение законов трения

Лабораторная работа
«Изучение законов трения»
Цель работы: 1) изучить методы определения коэффициентов трения покоя и трения скольжения;
2) проверить выполнение законов трения.
Приборы и принадлежности:
1) трибометр;
2) набор колец из исследуемого материала;
3) диск с осью;
4) динамометр;
5) набор грузов.

Теория

Трение является одним из проявлений контактного взаимодействия тел. Трение различают двух видов: внешнее и внутреннее. Силы внешнего трения возникают на поверхности контакта двух тел; приложены они к телам в соответствии с третьим законом Ньютона и направлены по касательной к поверхности контакта. Внутреннее трение – это тангенциальное взаимодействие между слоями одного и того же тела. Внешнее трение, которое возникает между сухими поверхностями твердых тел, называется сухим.

Сухое трение

Различают три вида сухого трения: трение покоя, трение скольжения, трение качения.
Трение покоя. Обратимся к следующему опыту. Положим массивный брусок на горизонтальную крышку стола и попытаемся сдвинуть его с места, действуя в горизонтальном направлении на нить, прикрепленную перпендикулярно к одной из его вертикальных граней. Для измерения силы, действующей на брусок, воспользуемся пружинным динамометром Д (рис. 1).


Рис. 1. Демонстрация внешнего трения покоя

Проведем серию экспериментов по измерению силы трения покоя при различных условиях: будем изменять силу, прижимающую брусок к поверхности стола, площадь соприкосновения бруска со столом, заменять один брусок другим, изготовленным из другого материала или того же материала, но с другой обработкой его поверхностей. В результате наблюдений прослеживаются закономерности, на которые указывали еще Амонтон в 1699 г. и независимо от него Кулон в 1785г., и которые уточнены в процессе развития физики.
1. Максимальная сила трения покоя пропорциональна силе нормального давления, т.е. силе, перпендикулярной к поверхности соприкосновения тел и прижимающей соприкасающиеся поверхности друг к другу
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Вводя безразмерный коэффициент пропорциональности
·, называемый коэффициентом трения покоя, и переходя от пропорциональной зависимости к равенству, получим уравнение, которое называют законом Кулона:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
2. При одной и той же силе нормального давления N максимальная сила трения покоя (а следовательно, и коэффициент
·) зависит от физической природы соприкасающихся тел и обработки их поверхностей.
3. При одной и той же силе нормального давления максимальная сила трения покоя (так же и
·) не зависит от площади соприкосновения их поверхностей.
Отмеченные закономерности носят приближенный характер. Это связано с тем, что 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 зависит от большого числа факторов, многие из которых просто не поддаются учету (наличие на соприкасающихся поверхностях окислов, влаги, адсорбированных газов и др.). Строгой теории сил трения покоя, как и сил сухого трения, до настоящего времени не создано. Но в общих чертах механизм возникновения трения покоя выглядит так.
Поверхность твердого тела, даже хорошо отшлифованного, далеко не ровная. На ней имеются микровыступы, впадины, трещины; часто эта поверхность покрыта окислами, прилипшими слоями газа или жидкости, посторонними включениями. При соприкосновении поверхностей двух тел микровыступы частично попадают в соответствующие впадины (при большом увеличении соприкасающиеся поверхности будут выглядеть, например, как нарисовано на рис.2). Естественно, что зацепление этих выступов будет препятствовать перемещению соприкасающихся тел друг относительно друга.

Рис. 2. Микровыступы контактирующих тел
На ряде участков расстояние между соприкасающимися телами может оказаться порядка радиуса действия молекулярных сил. Это приведет к слипанию тел на данных участках, что также препятствует их относительному перемещению.
Внедрению микровыступов и частичному слипанию поверхностей способствует внешняя сила нормального давления N, прижимающая твердые тела друг к другу. Этой силой может служить сила тяжести или ее нормальная компонента (если тело лежит на наклонной плоскости), а также любая другая сила, перпендикулярная поверхности соприкосновения тел.
Сила тяги, меньшая максимальной силы трения покоя, вызывает в основном упругие деформации микровыступов и областей, где действуют силы молекулярного сцепления. Возникшая сила упругости и есть, по существу, сила трения покоя.
Сила трения покоя зависит от качества обработки поверхностей. У шлифованных поверхностей трение обычно меньше, чем у грубо обработанных поверхностей. Но это справедливо лишь до известных пределов. Именно, опыт показывает, что при очень тщательной шлифовке тела прилипают друг к другу, что вызывает резкое возрастание коэффициента трения. По–видимому, у грубо обработанных поверхностей основную роль в возникновении силы трения играют зацепления выступов, а при тщательной шлифовке – молекулярное сцепление.

2. Сила трения скольжения

Если приложенная сила (рис.1) достигает значения равного максимальной силе трения покоя, возникает скольжение бруска по поверхности стола. При этом сила трения продолжает существовать и называется в этом случае силой трения скольжения. Зависимость силы трения скольжения от скорости наглядно прослеживается на следующей установке.


Рис. 3. Демонстрация внешнего трения скольжения
Положим на горизонтальный диск два одинаковых бруска (рис.3). Торцовые стороны брусков соединим нитями с неподвижно закрепленными динамометрами и приведем диск во вращение с постоянной скоростью. Бруски несколько сместятся в сторону вращения и остановятся. Пружины динамометров, связанные с торцами брусков, обращенными навстречу вращению диска, несколько растянутся. Поскольку бруски покоятся, очевидно, силы F, с которыми действуют на них пружины динамометров, уравновешивают силы трения Fтр, возникающие между соприкасающимися поверхностями брусков и диска. Направлены силы трения противоположно скорости брусков относительно диска. Меняя направление движения диска, увидим, что при той же величине скорости вращения динамометры отмечают наличие сил Fтр той же величины, что и в первом случае, но направленных противоположно.
Модуль силы трения скольжения зависит от материала тел и состояния поверхностей. Но, кроме того, он зависит также и от относительной скорости движения тел. Характер зависимости силы трения скольжения от скорости для тел из разных материалов и с различным состоянием поверхности неодинаков, но обычно имеет вид, представленный на рисунке 4.


Рис. 4. Зависимость силы трения скольжения от скорости
С увеличением скорости сила трения скольжения вначале уменьшается, а затем снова начинает возрастать. Рисунок 4 наглядно передает также особенность силы трения покоя; при относительном покое соприкасающихся тел (13 EMBED Equation.DSMT4 1415=0) сила трения может иметь любое значение от нуля до Fтр.пок.макс (график в этом случае имеет вертикальный участок, совпадающий с осью ординат).
Уменьшая силы трения скольжения при небольших скоростях можно объяснить тем, что при движении тела, имеющиеся на его поверхности микроскопические выступы, не успевают так глубоко западать в углубления поверхности другого тела, как при покое. Деформируются только «верхушки» выступов, и поэтому сила упругого сопротивления уменьшается. Увеличение силы трения скольжения при больших скоростях связано, по-видимому, с разрушением выступов и их размельчением. Но полной ясности в этом вопросе пока нет. Нагрев трущихся поверхностей объясняется тем, что при срыве зацеплений выступы некоторое время колеблются, рассеивая в тело запасенную энергию упругой деформации.
Силы трения скольжения (как и максимальная сила трения покоя) зависят от нормального давления на поверхность соприкосновения. При неизменной относительной скорости движения сила трения скольжения тем больше, чем больше нормальное давление:
Fтр.ск=µскN.
Коэффициент трения скольжения зависит от материала и состояния поверхности тел, а также от относительной скорости движения.
В первом приближении можно считать µск равным коэффициенту трения покоя µo.
Экспериментальная установка

Определение коэффициентов сухого трения проводится на установке, состоящей из электронного блока (1) ИСМ – 1К, поворотного стола (2) и стойки (3) (рис.5).


Рис. 5. Общий вид экспериментальной установки

Трибометр (рис.6) предназначен для измерения сил трения, возникающих между различными фрикционными парами. Он состоит из диска 1 и диска–шкива 2, на которые надеваются кольца из набора 3–8 из исследуемого и контактирующего материала, динамометра 9, который подвешивается к стойке и соединяется с диском–шкивом 2 через ролик нитью 10.

Рис. 6. Трибометр

В состав трибометра входят также грузы известной массы, которые при работе накладываются на верхний диск 2. при повороте (вращении) поворотного стола между исследуемым и контактирующим кольцами возникает сила трения, которую фиксирует динамометр.

Рис. 7. Измерительная система ИСМ – 1К
Электронный блок ИСМ–1К (рис.7) обеспечивает многовариантное исследование кинематики и динамики систем. В этой работе – измерение периодов вращения поворотного стола и питание двигателя, вращающего стол. Тумблер включения питания блока Т находится на правой боковине корпуса.
Требуемое разрешение таймера (0,1мс, 1 мс или 0,01 с) устанавливается тумблером 10 «0,1мс/1мс/0,01с»; максимальный измерительный интервал времени равен соответственно 1, 10 или 100с, на экране дисплея 11 отображается интервалы времени в миллисекундах (для разрешения 0,1 мс и 1 мс) или в секундах (для разрешения 0,01с).
Тумблер 3 «прив.1/0/прив.2» подключает к блоку питания электродвигатель. При среднем положении ручки привод отключен.
Тумблер 8 «:1/:2/:4» – это тумблер объединенных измерений. В положении «:1» регистрируется значение каждого интервала времени (например, время одного оборота стола), в положении «:2» регистрируется суммарное значение двух последовательных интервалов времени (например, суммарное время двух оборотов).

Рис. 8. Стол поворотный

Стол поворотный состоит из платформы 2 с отверстиями для фиксации изучаемых объектов, закрепленной на стойке 3. На трехступенчатом шкиве стойки (диаметром 24, 48 и 96 мм) установлены штифты для закрепления нитей. Стойка вращается на подшипниках на вертикальной оси, закрепленной в основании со шкалой 1. Снизу к стойке прикреплен диск 3.1 с диаметрально противоположными радиальной прорезью и риской указателем. Риска перемещается вдоль, шкалы по которой отсчитывается угловая координата стола с разрешением 1 градус, при прохождении прорези через зазор фотодатчика 6. Это соответствует положению риски на нулевом делении шкалы – срабатывает таймер измерительной системы ИСМ – 1К. Это позволяет фиксировать время поворота стола на 360° или 720°. Внутри стойки под центральным отверстием платформы размещен упругий контакт 4, через который подается питание к устройствам, расположенными на платформе. Рядом со столом установлен механический тормоз с кнопкой 5.1 и защелкой 5.2. При нажатии на кнопку вниз стол затормаживается, а защелка фиксирует кнопку в нижнем положении. Для отпускания тормоза нужно сдвинуть защелку на себя.
Экспериментальная часть

Задание 1. Определение коэффициента трения покоя
Диск 1 с осью (рис.6) установите на платформе поворотного стола. На выступающие из диска штыри наденьте одно из колец 3 – 8 из исследуемого материала. Второе кольцо из набора 3 – 8, контактирующее с исследуемым, наденьте на штыри второго диска–шкива (2) и вместе с ним наложите на первый диск с кольцом так, чтобы ось нижнего диска вошла в отверстие верхнего диска.
Средний диаметр колец 60 мм.
На шкив намотайте нить 10 (узел нити закрепите в прорези шкива), затем нить перекиньте через ролик стойки и прикрепите к динамометру 9, подвешенному на стойке. На верхний диск 2 установите груз (200–340 г). Медленно поворачивайте стол так, чтобы нить наматывалась на шкив диска 2.
В тот момент времени, при котором, сила натяжения нити будет достаточной для преодоления силы трения покоя, исследуемый диск начинает двигаться. Зафиксируйте показания динамометра.
а) Исследование зависимости коэффициента трения покоя от материала
Для исследования выбираются 3 различных кольца (по заданию преподавателя) и одно кольцо, контактирующее с исследуемыми. Для каждого из 3-х колец опыт повторите 5 раз. Результаты занесите в таблицу 1.
Таблица №1
Кольцо
(материал)
Сила трения покоя
Коэффициент
трения
Масса груза =
контактирующее кольцо –
13 EMBED Equation.DSMT4 1415=
13 EMBED Equation.DSMT4 1415


1
2
3
4
5
ср.

































Рассчитайте коэффициент трения покоя по формуле
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Сравните рассчитанные значения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 с визуальными параметрами исследуемых тел.
б) Исследование зависимости коэффициента трения покоя от массы груза
Выберете одно из исследованных колец (контактирующее прежнее) и меняя массу груза от 0,200 кг до 1,200 кг (не менее 5 различных масс) исследуйте зависимость 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Таблица№2

п/п
Масса груза
Сила трения покоя
13 EMBED Equation.DSMT4 1415




1
2
3
4
5
ср.



1








Исследуемое кольцо –

2










3








Контактируемое кольцо –

4










5










Постройте график зависимости 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.

Задание 2. Определение коэффициента трения скольжения

Перед началом работы проверьте правильность установки тумблеров на электронном блоке (рис.7). Нумерация по порядку справа налево.
Тумблер №1 (крайний правый) в положение «ток»
Тумблер №2 – в положение «стаб»
Тумблер №3 – в положение «прив.1»
Тумблер №4 – в положение «0» (рукоятка тумблера горизонтально)
Тумблер №5 – в положение «–» (рукоятка тумблера вниз)
Тумблер №6 – в положение «х1» (рукоятка тумблера вниз)
Тумблер №7 – в положение «цикл» (рукоятка тумблера вверх)
Тумблер №8 – в положение «: 4» (рукоятка тумблера горизонтально)
Тумблер №9 – в положение «13 EMBED Equation.DSMT4 1415Т» (рукоятка тумблера горизонтально)
Рукоятка «генератор амплитуда» – в положении «0» (крайнее левое положение).
Рукоятка «генератор частота» – в положении «0» (крайнее левое положение).
Рукоятка «гироскоп частота» – в положении «0» (крайнее левое положение).
Эксперимент проведите с той же парой колец (исследуемое и контактирующее) и груза, использованных в предыдущем задании. Тумблер, фиксирующий время периода вращения опорного стола, поставьте (положение вниз) на 0,01с. На экране, рядом с этим тумблером, будет высвечиваться время одного оборота. Включите электронный блок тумблером питания на боковой поверхности справа. Если на табло будет стоять какое–то число, то нажатием кнопки «гот» установите 0.000.
а) Исследование зависимости коэффициента трения скольжения от скорости вращения
Тумблер №5, регулирующий направление вращения стола поставьте в положение «–». Медленно вращая рукоятку «генератор амплитуда» установите небольшую скорость вращения стола (период вращения
· 2 –1,8с). В момент проскальзывания колец фиксируйте показания динамометра. Занесите показания динамометра и времени периода вращения в таблицу 3 (не менее 5 раз).
Таблица №3
№ п/п
Время периода Т, с
Сила трения
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
µск
Масса груза


1
2
3
4
5
ср.
1
2
3
4
5
ср.




1
















2
















3
















4
















5

















Опыт повторите, увеличивая скорость вращения стола, не менее 5 раз, но время оборота не должно быть менее 0,06 с. Зная средний радиус колец (r=30мм) и время оборота, определите по средним значениям скорость.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Постройте график зависимости 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Рассчитайте для всех случаев коэффициент трения скольжения
·ск по средним значениям скорости и силы трения.
б) Исследование зависимости скорости вращения от массы груза
Меняя массу груза (4 раза) от 100г до 1,0кг заполните таблицу 4 (первую строчку перепишите с таблицы 3).
Таблица №4
№ п\п
Время оборота
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Масса груза
Сила трения

·ск


1
2
3
4
5
ср.


1
2
3
4
5
ср.


1
















2
















3
















4
















5
















Постройте график зависимости силы трения скольжения от скорости. Оцените погрешности измерений во всех опытах.

Контрольные вопросы:
Какова природа сил трения?
Сформулируйте законы трения.
От каких параметров системы зависят (не зависят) силы трения и коэффициенты трения?
Расскажите о методах определения сил трения покоя и скольжения.
11




Приложенные файлы

  • doc 22390188
    Размер файла: 502 kB Загрузок: 1

Добавить комментарий