|
|
механика_лабораторные работы. Контрольные вопросы для самопроверки. Пособие содержит методические указания по теории погрешностей. Работы расположены в последовательности изложения материала курса Общая физика, раздел Механика
Лабораторная работа №3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ ПОКОЯ.
Цель работы: Ознакомиться с одним из способов измерения коэффициента трения покоя.
Приборы и принадлежности: Модульный учебный комплекс МУК-М2: рабочий узел «наклонная плоскость», два бруска дерево-дюраль и дерево-сталь, секундомер электронный СЭ1.
Краткое теоретическое введение
Трение — процесс взаимодействия твёрдых тел при их относительном движении (смещении) либо при движении твёрдого тела в газообразной или жидкой среде.
Раздел физики, изучающий природу трения называется трибология.
В зависимости от масштаба, на котором изучается трение, в современной трибологии принято выделять три раздела:
макротрибологию (или просто трибологию);
микротрибологию;
нанотрибологию.
Лишь с возникновением сканирующих микроскопов появилась возможность экспериментального изучения микро- и нанотрибологии.
Сила трения – это совокупный эффект, возникающий в результате самых различных физических явлений: упругости, адгезии, вязкости, капиллярных сил, химических особенностей, фононного и электростатического взаимодействий и проч. В зависимости от условий может преобладать то или другое явление.
Каждый из разделов трибологии исследует трение на своем масштабе. Макротрибология имеет дело с большими объектами и не рассматривает особенностей строения вещества. С трением в макромире мы и познакомимся в данной лабораторной работе.
При соприкосновении движущихся (или приходящих в движение) тел с другими телами, а также с частицами вещества окружающей среды возникают силы, препятствующие такому движению. Эти силы называют силами трения. Действие сил трения всегда сопровождается превращением механической энергии во внутреннюю и вызывает нагревание тел и окружающей их среды.
Существует внешнее и внутреннее трение (иначе называемое вязкостью). Внешним называют такой вид трения, при котором в местах соприкосновения твердых тел возникают силы, затрудняющие взаимное перемещение тел и направленные по касательной к их поверхностям.
Внутренним трением (вязкостью) называется вид трения, состоящий в том, что при взаимном перемещении слоев жидкости или газа между ними возникают касательные силы, препятствующие такому перемещению.
Внешнее трение подразделяют на трение покоя (статическое трение) и кинематическое трение. Кинематическое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения.
Трение скольжения — сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих (взаимодействующих) тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения.
Трение качения — момент сил, возникающий при качении одного из двух контактирующих (взаимодействующих) тел относительно другого.
Трение покоя — сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга. Возникает при микроперемещениях (например, при деформации) контактирующих тел. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного относительного движения.
В жизни человека силы трения играют важную роль. В одних случаях он их использует, а в других борется с ними. Силы трения имеют электромагнитную природу.
Для того чтобы понять природу сил трения, следует прежде всего обратиться к топографии поверхностей контактирующих между собой частей реальных механизмов. Эти поверхности никогда не являются идеально плоскими, имеют микронеровности. Места выступов на одной поверхности отнюдь не совпадают с местами выступов на другой. Площадь контакта оказывается очень малой. Однако при сжатии остроконечные неровности пластически деформируются и подлинная площадь контакта увеличивается пропорционально приложенной нагрузке. Именно сопротивление относительному сдвигу этих контактных зон и является основным источником трения движения. Само сопротивление сдвигу при идеальном контакте определяется межмолекулярным взаимодействием, зависящим от природы контактирующих материалов.
Трение покоя.
Сила трения покоя Fтр не является однозначно определенной величиной. В зависимости от приложенной силы тяги F величина силы трения покоя меняется от 0 до Fмин – того значения силы, когда брусок начнет двигаться. Поэтому
Обычно силой трения покоя называют максимальную силу трения покоя Fтр макс пок.
Сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения тел и пропорциональна силе нормального давления Pн (а следовательно, равной ей силе реакции опоры N):
 . (1)
Соотношение (1) является законом Амонтона-Кулона, основным соотношением макротрибологии, который пропорционально связывает силу трения и нормальную реакцию:
Величина μпокназывается коэффициентом трения покоя. Коэффициент трения покоя зависит от трущихся материалов и от качества обработки поверхностей.
Для определения коэффициента трения покоя удобно использовать наклонную плоскость рис.1. При медленном увеличении угла наклона плоскости можно найти такой угол α0, при котом брусок скачкообразно сдвинется с места и начнет скользить по плоскости.
В данном случае на брусок будут действовать три силы: сила тяжести Fт, сила реакции опоры N и сила трения Fтр пок.
рис. 1
Выберем направление координатной оси X вдоль плоскости вниз, а координатной оси Y перпендикулярно плоскости вверх. 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.
Установка представляет собой наклонную плоскость 1, которую с помощью винта 2 можно устанавливать под разными углами α к горизонту (рис.2). Угол α измеряется с помощью шкалы 3. На плоскость может быть помещен брусок 4 массой m. Предусмотрено использование двух брусков. Каждый брусок состоит из двух частей, изготовленных из различных материалов: дерево-дюраль и дерево-сталь.
рис. 2
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 μпок бруска.
Порядок выполнения работы
Ослабив винт 2 (рис.2), установите плоскость под углом 0 к горизонту. Поместите брусок 4 (сталь-дерево) на наклонную плоскость в положении деревом вниз.
Медленно изменяя угол наклона плоскости, найдите такой угол, при котором брусок скачком сдвинется с места и начнет скользить по плоскости. Запишите угол наклона плоскости α. Вычислите по формуле (2) коэффициент трения покоя μпок.
Повторите опыт пятикратно. Проведите математическую обработку результатов. Заполните таблицу.
Таблица
|
№
|
α
|
μпок
|
|
|
|
дерево
|
1
|
|
|
|
|
|
2
|
|
|
3
|
|
|
сталь
|
1
|
|
|
|
|
|
2
|
|
|
3
|
|
|
дюраль
|
1
|
|
|
|
|
|
2
|
|
|
3
|
|
|
Повторите п. 1 - 3, повернув брусок в положение сталью вниз.
Повторите п. 1 - 4 для второго бруска.
Сравните полученные в опыте значения коэффициентов трения покоя с табличными (см. приложение).
Вычислите абсолютную и относительную погрешности косвенного измерения μпок(α), по соответствующим формулам:
 ,
 ,
где  абсолютная погрешность прямого измерения величины α.
Результаты расчетов запишите в таблицу.
Сделайте выводы.
Контрольные вопросы
Что такое трение?
Как называется раздел физики изучающий природу трения?
Какие типы трения вы знаете?
Какое фундаментальное взаимодействие определяет возникновение сил трения?
Какова роль сил трения в природе и технике?
Является ли сила трения покоя постоянной величиной?
Отчего зависит сила трения покоя?
Как вычислить силу трения покоя (закон Амонтона-Кулона)?
Как определяется коэффициент трения покоя в работе?
Выведите формулу (2).
С чем связаны погрешности в данной работе?
|
|
|
Скачать 0.7 Mb.