Лабораторная работа № 1-04

Определение коэффициента трения твёрдых тел.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение закономерностей трения и определение коэффициента трения покоя.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Трение возникает на поверхностях соприкосновения двух твердых тел. Оно играет важную роль и в технике, и в обыденной жизни. Различают три вида внешнего трения: трение покоя, трение скольжения, трение качения. На величину сил трения и характер их зависимости от скорости существенно влияют состояние поверхностей, их обработка, наличие загрязнений и т.д. Вместе с тем величина этих сил зависит от величины нормального давления между поверхностями. Сила трения между соприкасающимися твердыми телами обладает характерной чертой: она не обращается в нуль вместе со скоростью. Сила трения, которая существует между соприкасающимися, но не движущимися телами, носит название трения покоя. Величина и направление силы трения покоя определяются величиной и направлением той внешней силы, которая должна была бы вызвать скольжение. Сила трения покоя равна по величине и противоположна по направлению этой внешней силе. Сила трения покоя по величине не может превосходить некоторого определенного значения, которое называют максимальной силой трения покоя (или силой трения покоя). Пока внешняя сила не превосходит этого значения, скольжение не возникает (рис. 1). За максимальным значением следует крутой спад и остается постоянная сила трения скольжения F_ск .

Рис.1

Трение покоя и трение скольжения не зависят от величины площади соприкосновения твердых тел. Для данных тел силы трения покоя и скольжения прямо пропорциональны силе давления N , которая одновременно сжимает оба тела

F_пок = k_пок ⋅ N , F_ск = k_ск ⋅ N (1)

где k_пок и k_ск - коэффициенты трения покоя и скольжения. k_пок в большинстве случаев изменяется в пределах от 0,2 до 0,7; k_ск - от 0,2 до 0,5.

Трение покоя играет в технике существенную роль. Оно определяет наибольшую величину необходимой движущей силы для ведущих колес автомобилей, а также для подошв пешеходов. В месте соприкосновения с землей катящееся колесо и подошва ноги движущегося человека находятся в покое относительно земли. Поэтому здесь действует трение покоя. Трение скольжения наоборот почти всегда мешает, поэтому в машинах и аппаратах стремятся по возможности исключить внешнее трение между трущимися частями. Его заменяют внутренним трением тонких слоев жидкости между взаимно движущимися частями- это называется смазкой.

3. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Приборы и оборудование: наклонная плоскость (трибометр), сменные пластины, бруски.

Коэффициент трения покоя, скольжения и качения для данной пары материалов можно определить методом наклонной плоскости. Схема установки (трибометр) представлена на рис.2.

Рис. 2

Постоянно увеличивая наклон пластины (1), можно зафиксировать угол α (5), при котором покоящееся на пластине тело (4) из другого материала начнёт двигаться. В момент начала движения ускорение тела можно считать равным нулю (а=0).

В соответствии с законом Ньютона

F_тр + mg + N = 0

Проекции этого выражения на оси x и y равны

24. : − F_тр + mg sinα = 0

 (2)

24. : − mg cosα + N = 0 

Отсюда

N = mgcosα

И так как по определению F_тр = kN , то

^F_тр = kmgcosα (3)

Из (2) и (3) следует, что kmgcosα = mg sinα , так что коэффициент трения покоя

k = tgα (4)

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Вращая винт (3) против часовой стрелки освободить направляющую (2) от зажима. Установить наклонную пластину (1) под углом 15°-20° к основанию (6). Закрепить винтом (3) направляющую (2) в этом положении.

2. Положить на наклонную пластину (основание дерево) деревянный брусок.

3. Освободив винтом направляющую, необходимо медленно поднимать наклонную плоскость до тех пор, пока брусок не начнёт движение.

4. В момент начала движения бруска закрепить наклонную плоскость винтом.

5. Определить по угломеру (5) - угол наклона наклонной плоскости.

6. Результаты записать в таблицу 1. Измерения повторить 10 раз.

7. Установить на наклонную плоскость сменную пластину из алюминия.

8. Проделать действия, указанные в пунктах 1-6 с парой материалов алюминий-дерево.

9. Установить на наклонную плоскость сменную пластину из текстолита.

10. Проделать действия, указанные в пунктах 1-6 с парой материалов текстолит-дерево.

11. По формуле (4) вычислить значение коэффициента трения k и результаты занести в таблицу.

13. Определить среднее значение коэффициента трения .

14. Определить относительную и абсолютную погрешности.

15. Окончательный результат для каждой пары материалов записать в виде: k =k_ср ±∆k

ЛИТЕРАТУРА

1.Детлаф А . А. , Яворский Б . М .Курс физики , М, Высшая школа, 1989, п. 38

2.Савельев И . В . Курс общей физики , М, Наука, 1982, Г. 1, п. 13-15

Таблица

№ п/п	Дерево дерево			Дерево алюминий			Дерево текстолит
	α	k	kср	α	k	∆k	α	k	kср

Место для вычислений.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Запишите выражение для силы трения и объясните смысл каждой величины в ней?

2. Укажите все силы, действующие на тело на наклонной плоскости?

3. Чем определяется величина коэффициента трения?

4. Сравните силы трения покоя и скольжения, скольжения и качения. В каких случаях трение меньше?

5. Что такое диссипация энергии и как она связана с законом сохранения энергии?

6. Выведите формулу для расчёта коэффициента трения скольжения бруска по наклонной плоскости.

Ответы на контрольные вопросы.