Добавил:
vk.com Студент ИТАЭ/ТФ-07. Могу помочь с Прикладной механикой, котлами и экономикой. Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

1 сем / Лабники / lr_02

.pdf
Скачиваний:
22
Добавлен:
15.12.2022
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

Лабораторная работа № 2

ИЗУЧЕНИЕ ДИНАМИКИ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА ПО НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ

Цель работы — изучение динамики поступательного движения твердого тела, экспериментальное определение коэффициента трения скольжения, расчет ускорения поступательного движения тела по наклонной плоскости.

 

1. Метод измерения и расчетные соотношения

ОИзучение трения поверхностей твердых тел является чрезвычайно

важной задачей: 90 % машин выходят из строя вследствие износа дета-

лей, а

мощности на трение могут достигать 40 %.

Ф

Трение имеет молекулярно-механическую природу. С одной стороны, на

площадкахпотеринепосредственного контакта действуют силы Ван-дер- Ваальса, которыеЯпроявляются на расстояниях, в десятки раз превышающих межатомное расстояние, и повышаются с ростом температуры. Это взаимодействие объясняетСмолекулярную составляющую трения. С дру-

гой стороны, при движении тел будет происходить внедрение микроне-

ровностей более твердого тела в поверхность менее твердого. Сопротив-

 

Н

 

ление деформированию поверхностного слоя обусловило механическую

составляющую трения.

И

 

Соотношение для силы трения скольжения Fтр μN , где

μ— коэф-

фициент трения скольжения, N — нормальная реакция, опоры носит название закона Амонтона. Данный законУсправедлив только для определенных нагрузочно-скоростных режимов и сочетаний трущихся материалов. Неожиданным следствием из этого закона является независимость силы трения от формы и размера поверхностиМноминального контакта тел. Это объясняется тем, что твердые тела контактируют не всей поверхностью, а отдельными пятнами (из-за шероховатости реальных поверхностей). Общая площадь таких пятен очень мала по сравнениюЭс номинальной площадью и растет линейно с увеличением веса тела. В свою очередь, сила трения пропорциональна фактической площади контактаИ.

Коэффициент трения μ (отношение силы трения к нормальной реакции опоры) может находиться в широком диапазоне значений от примерно 0,001 в легко нагруженных подшипниках качения до нескольких десятков для тщательно очищенных одноименных металлов, контактирующих в вакууме. При трении на воздухе коэффициент трения обычно меняется в пределах от 0,1 до 1.

Коэффициент трения скольжения может быть определен на основе измерения предельного угла

наклона плоскости пред —

 

 

 

 

минимального

угла,

при

 

 

 

 

котором

брусок начнет

 

 

 

 

скользить

по

наклонной

 

 

 

 

плоскости.

Под

действием

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сил тяжести (mg ), трения

 

 

 

 

 

 

 

реак- Рис. 1. Брусок на наклонной плоскости

 

О(F ) и нормальной

 

Ф

 

 

 

 

 

 

тр

 

 

 

 

 

 

 

 

ции опоры (N ) брусок мо-

 

 

 

 

жет

покоиться

 

 

 

 

ли скользить по наклонной плоскости (см. рис.1).

 

Если брусок находится в состоянии покоя, то

 

(1)

где F

 

 

 

mg Fтр.пок N 0,

— сила трения покоя.

 

 

 

 

 

тр.пок

Я

 

 

 

 

В проекции на ось Х уравнение (1) принимает вид

 

 

 

 

 

Сmgsinα Fтр.пок 0,

(2)

 

 

 

 

Н

 

 

 

где — угол при основании наклонной плоскости.

 

Если изменять угол при основании наклонной плоскости, то при неко-

тором значении угла пред брусок начнет скользить. При этом сила трения покоя принимает свое максимальное значение, равное силе трения сколь-

 

У

жения

И

 

Fтр.пок.max Fтр.cк

В свою очередь, модуль силы трения скольжения определяется выраже-

 

М

нием

Fтр.ск μN , где — коэффициент трения скольжения, а N — сила

нормальной реакции опоры.

Скольжение бруска в соответствии с вторым законом Ньютона описывается уравнением

ma mg N F

,

Э

(3)

тр.ск

 

 

 

которое в проекции на ось Y (рис. 1) представляется соотношением

 

0 N mgcosα.

 

И

 

 

 

В результате выражение для модуля силы трения скольжения принимает вид:

Fтр.ск μmg cosα.

(4)

На рис. 2 представлена зависимость силы трения покоя

Fтр.пок и силы

трения скольженияFтр.ск от угла при основании наклонной плоскости.

О

 

 

 

Ф

 

 

 

и

и Fтр.ск в функции угла

 

Р с. 2. Зависимости Fтр.пок

 

Я

 

 

При 0 < < пред

на брусок действует сила трения покоя, определяемая

законом синуса в соответствии с выражением (2). При = пред начинает-

С

 

 

ся скольжение бруска. При этом на него начинает действовать сила тре-

ния скольжения, определяемая в соответствии с (4) законом косинуса.

При = пред силы трения становятся равными:

 

 

Н

 

 

Fтр.пок =

Fтр.ск

 

или

И

 

 

mgsinαпред μmg cosαпред.

 

 

 

У

 

Отсюда получаем связь между углом пред. и коэффициентом трения

скольжения

μ tgαпред ,

 

(5)

 

 

где пред — угол наклона плоскости, при котором начинается скольжение

бруска.

 

М

 

 

Э

 

Рассмотрим систему связанных грузов. На рис. 3 показан брусок 2 ма-

лых размеров массой m, движущийся по наклонной плоскости 1 под дей-

 

 

И

ствием силы натяжения T . Брусок связан с грузом 3 легкой нерастяжимой нитью 4, перекинутой через легкий блок 5.

При определенном соотношении между массами бруска и груза, угла при основании наклонной плоскости и коэффициента трения скольжения брусок будет двигаться вверх по наклонной плоскости с ускорением а. Найдем это соотношение, записав второй закон Ньютона применительно к бруску 2 и грузу 3.

О

Рис. 3. Система наклонная плоскость - брусок-груз

 

 

 

 

 

 

 

Для груза 3 запишем:

m2a2 m2g +T2,

 

 

 

 

Ф

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

где Т2 — с ла натяжения нити, действующая на груз; а2

— ускорение

груза. В проекц

на ось Y2 это уравнение имеет вид:

 

 

 

 

Яm2a2

= m2g – T2

 

 

 

(6)

 

 

С

 

 

 

 

 

Для бруска 2 справедливо следующее уравнение:

 

 

 

 

Здесь Т

 

 

m1a1 m1g T1 Fтр N .

 

 

 

 

 

 

 

И

 

 

а — ускоре-

— сила натяженияНнити, действующая на брусок;

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

ние бруска; Fтр

— сила трения скольжения. В проекциях на оси Х1

и Y1

получаем:

 

 

 

У

 

 

 

 

 

 

 

m1a1 m1gsinα T1 Fтр

 

 

 

(7)

 

 

 

0 m1gcosα N

 

 

 

(8)

 

 

 

 

 

М

 

В предположении, что нить и блок не обладают массой, и нить нерастя-

жима, можно записать:

T T

T

Э

 

 

 

 

(9)

 

 

 

1

2

 

 

 

 

a1 a2

a const

 

И

 

 

 

 

 

 

 

Выбор модельных приближений для описания движения связанных грузов и их следствия более подробно обсуждаются в лабораторной рабо-

те №1. Решая совместно систему уравнений (6—9),

учитывая, что

Fтр μN , получаем соотношение для ускорения грузов:

 

a

m2 m1 sin cos

g .

(10)

 

 

m1 m2

 

Как следует из (10), движение бруска будет равноускоренным, если m2 m1 sin cos ˃ 0. Отсюда следует, что

μ <

m2 m1sinα

(11)

 

m

cosα

 

 

1

 

 

Ускорение движения грузов, рассчитанное по соотношению (10) с учетом коэффициента трения, найденного из соотношения (5) может быть рассчитано из кинематических соотношений, подобно тому, как это делалось в лабораторной работе №1. Ускорение a системы «брусок-груз» определим, измерив, расстояние h, пройденное грузом 3, и время движения системы

Ф

a

2h.

(12)

О

 

и

τ2

 

 

 

2. Описание схемы установки

 

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 4.

 

 

Я

 

 

 

 

С

 

 

 

 

Н

 

 

 

И

 

 

 

 

У

 

 

 

 

М

 

 

 

 

Э

 

 

 

 

И

Рис. 4. Схема экспериментальной установки

Наклонная плоскость 1 изготовлена из трубы прямоугольного сечения, которая с помощью винтового зажима 2 крепится на вертикальной стойке 3, жестко связанной с массивной опорой 4. Наклонная плоскость 1 может поворачиваться относительно горизонтальной оси и фиксироваться

зажимом 2. Угол наклона наклонной плоскости к горизонту определяется по угловой шкале 5, с помощью стрелки 6, закрепленной на стойке 3.

Брусок 7 связан нитью 9 с грузом 8 и может перемещаться по наклонной плоскости. Связь бруска и груза посредством нити осуществляется с помощью системы блоков 10. На стойке 3 закреплена вертикальная линейка 11 с миллиметровой шкалой, служащая для измерения перемещения груза 8. Регулировочные винты 12 служат для установки опоры 4 в горизонтальном положении. Стопор 13 служит для ограничения движения грузов.

О

3. Порядок выполнения работы

 

 

 

 

 

 

 

Заполн те табл. 1. Запишите данные установки.

Ф

 

 

 

 

 

Таблица 1

 

Спецификация измерительных приборов

 

Назван е

 

Пределы

 

Цена деле-

Предел допусти-

 

 

и

измерения

ния

 

мой инструмен-

 

 

пр бора

 

 

 

 

егоЯтип

 

 

тальной погреш-

 

 

 

 

 

 

 

 

ности

 

 

Секундомер

 

 

 

 

 

 

 

 

С

 

 

 

 

 

Линейка

 

 

 

 

 

 

 

 

Транспортир

 

Н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Данные установки

 

 

 

 

Масса бруска

 

m1 =

,

m1 =

 

Масса груза

И

,

m2 =

 

 

m2 =

Для проведения опытов необходимыУследующие средства измерений:

секундомер с разрешением не хуже 0,2 сМ;

линейка с миллиметровой шкалой;

транспортир. Э

Взависимости от конструкции установки возможно использование автоматической системы запуска и измерения времени Иэлектронными средствами. В состав системы входят инфракрасный датчик перемещения

иэлектронный секундомер, позволяющие производить отсчет времени прохождения грузом расстояния h. Описание автоматической системы и порядок ее использования приводятся в инструкции к установке.

Задание 1. Определить значение коэффициента трения скольжения

по углу пред.

Изменяя угол наклона плоскости к горизонту, фиксируется такое значение пред., при котором тело начинает скользить по наклонной плоскости. Значение коэффициента трения скольжения рассчитывается по формуле (5).

Порядок выполнения работы по заданию 1

1.Установите на наклонную плоскость брусок массой m1 (в этом задании нить, связывающая брусок 7 с грузом 8, не должна быть натянута).

2.Выставите угол наклона плоскости к горизонту равным 10°.

3.Медленно увеличивая угол при основании наклонной плоскости,

определите такое значение угла, при котором брусок массой m1 начинает соскальзывать с наклонной плоскости. Значение этого предельного угла

1предзанесите в табл. 2.

 

 

 

 

О

 

 

 

 

 

 

Таблица 2

Ф

 

 

Результаты измерений αпред

 

 

 

 

массабрускасперегрузком

 

масса бруска

и

 

 

 

M =

 

 

m1

=

 

 

 

 

№ опы-

 

α1пред

 

№ опыта

 

α2пред

 

 

Я

 

 

 

 

 

 

та

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

3

 

 

 

 

3

 

 

 

 

С

 

 

 

 

 

 

Среднее

 

Среднее

 

 

 

 

 

 

 

Н

 

 

 

 

4. Верните систему в исходное положение, соответствующее п.2.

5. Проделайте такой же опыт еще не менее двух раз с тем же бруском

массой m1 по нахождению углов пред

согласно действию, описанному в

п. 3. Запишите значения углов. И

 

 

 

6.Положите на брусок массой m1 перегрузок, вычислите суммарную массу M груза и перегрузка, запишите ее в табл. 2.

7.Повторите пункты 2-5 данной инструкции, результаты запишите в табл. 2. У

Задание 2. Определить значение ускоренияМпоступательного движе-

ния груза по наклонной плоскости

Э

 

Измеряется время движения системы и расстояние, пройденное телами системы.

Опыты проводятся в соответствии со схемой, представленной на рис.4. И

Порядок выполнения работы по заданию 2

1.Установите наклонную плоскость под углом 1. Значение угла выберите по согласованию с преподавателем.

2.Поставьте на наклонную плоскость брусок массой m1 и свяжите его

нитью через систему блоков с грузом массой m2.

3. Приведите систему грузов в начальное положение. Для этого переместите брусок массой m1 в крайнее левое положение.

4. При выполнении работы проводится измерение времени 1 прохождения грузом 8 фиксированного расстояния h1 (рис. 4). Расстояние h1 определяется по числу делений на шкале миллиметровой линейки между его начальным y1и конечным y2 положениями (y1и y2 — положение ниж-

него торца груза 8 по шкале линейки 11). Порядок определения расстояний

h1 и h2 и соответствующего времени 1 и τ2

изложен в указаниях на уста-

новке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Эксперимент по определению времени 1

проделайте еще 4 раза. Ре-

зультаты измерения времени 1

и определения

расстояния h1 запишите в

табл. 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О6. Установите наклонную плоскость под углом 2

> 1 к горизонту.

Ф

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Значение угла внесите в табл. 4.

 

 

 

2 прохождения грузом 8

Проделайте 5 опытов по измерению времени

и

 

согласно действиям, описанным в пунктах

фиксированного расстояния h2

3–5. Результаты змерения времени τ2 и определения

расстояния h2 зане-

 

Я

 

 

 

 

 

 

 

 

сите в табл. 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С

 

 

Таблица 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результаты измерений по заданию 2 при угле α1=

 

 

 

 

 

 

Н

 

 

 

 

 

 

 

№ опы-

τ1, c

y1, мм

 

y2

, мм

 

 

h1, мм

 

 

 

та

 

И

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

У

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МТаблица 4

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результаты измерений по заданию 2 при угле α2 =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Э

 

№ опы-

τ2, c

 

 

 

 

 

 

 

 

y1 , мм

 

y2 , мм

 

 

И

 

 

 

 

h2, мм

 

 

та

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Обработка результатов измерений

По заданию 1.

1.По данным табл.2 рассчитайте средние значения пред для брусков разной массы.

2.По средним значениям предельного угла наклона плоскости с помощью соотношения (5) рассчитайте значения коэффициента трения скольжения. Результаты внесите в табл. 2. Сравните полученные результаты.

3.Проведите статистическую обработку данных, вычислив погреш-

ность αпред:

пр 2 сл 2 . Здесь

пр

— погрешность средств

Оизмерения (приборная погрешность), сл — случайная погрешность.

Ф

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Значения погрешностей αпред выразите в радианах.

4. Рассч тайте абсолютную погрешность косвенного измерения коэф-

фициента трен я по формуле:

 

 

 

,

где представьте в ра-

 

 

 

 

 

Я

 

 

 

cos2 пред

 

 

и

 

 

 

 

дианах.

 

 

С

результат

 

для

коэффициента трения в

5. Запишите окончательный

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

стандартном виде:

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По заданию 2.

 

 

Н

y1 - y2 рассчитайте расстояния

1. По разности координат

y1 - y2 и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

И

 

h1 и h2, пройденные грузом. По средним значениям времени движения

груза

1

и

2

и расстояниям h1

 

и h2

рассчитайте экспериментальные зна-

чения ускорений по формуле (12).

У

 

 

 

 

 

2. Рассчитайте теоретические значения ускорений грузов по формуле (10). Сравните полученные значения ускорений со значениями, определенными в п. 1.

3.

Проведите статистическую обработку результатов прямых изме-

рений. Вычислите погрешность измерения времениМдвижения грузов τ1 и

τ2.

 

 

 

 

 

Э

4.

Вычислите погрешность косвенного измерения расстояний h1 и h2:

 

h

y

2

y 2 .

И

 

 

1

 

2

 

 

5.

Определите абсолютную

погрешность

 

косвенного измерения

ускорения грузов по формуле:

 

 

 

 

 

 

a a

h 2

 

2

 

 

 

 

4

.

 

 

h

 

 

 

 

Окончательный ответ запишите в стандартном виде: a a a .

6. Рассчитайте значение абсолютной погрешности ускорения по формуле:

 

a

2

 

a

2

a

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

значение Δμ возьмите из результатов задания 1.

 

7. Запишите окончательный результат измерения ускорения в стан-

дартном виде: a

 

a .

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

8. Сравните значения ускорения грузов, вычисленные по формулам

(10) и (12).

 

 

 

 

 

 

 

О

 

 

5. Контрольные вопросы

 

 

Ф

 

 

 

 

1.

Дайте определение силы трения покоя и силы трения скольжения.

Как определяются величины этих сил?

 

 

 

2.

 

при

 

 

 

 

Постройте график зависимости силы трения, действующей на груз,

от угла

 

основании наклонной плоскости и объясните его.

3.

Вывед те расчетное соотношение для коэффициента трения сколь-

жения (по задан ю 1).

 

 

 

 

4.

 

 

С

 

 

 

 

При какихЯдопущениях проводится вывод теоретического соотноше-

ния для ускорения из опытов по скольжению бруска?

 

5.

Выведите формулу для расчета абсолютной погрешности измерения

коэффициента трения скольжения (по заданию 1).

 

 

6.

 

 

 

 

Н

 

 

 

Выведите формулу для расчета теоретического значения ускорения

движения бруска и груза (массы грузов, угол наклона плоскости и коэф-

 

 

 

 

 

И

 

 

фициент трения считайте заданными).

 

 

 

 

7.

Какие предположения относительно блоков, через которые переки-

 

 

 

 

 

 

У

 

 

нута нить, сделаны в работе? Каким образом они использовались при вы-

воде расчетных формул?

 

 

 

 

8.

Сформулируйте законы Ньютона. При каких условиях они выпол-

няются? Выведите формулу для расчета силы натяжения нити.

9.

По результатам измерений вычислите работу силы трения при дви-

жении груза по наклонной плоскости.

 

М

10.

 

 

 

 

 

 

 

Э

Выведите выражение для расчета абсолютной погрешности косвен-

ного измерения ускорения грузов (по заданию 2).

 

И

 

 

 

 

 

Рекомендуемая литература

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Савельев И.В. Курс общей физики: Учебное пособие. В 3-х тт. Т.1. Механика. Молекулярная физика. 5-е изд., стер. — СПб.: Издатель-

ство «Лань». 2006. С.49 — 60, 62 — 70.

2.Д.А. Иванов, И.В. Иванова, А.Н. Седов, А.В. Славов. Механика. Молекулярная физика и термодинамика: Конспект лекций/ Под ред.

А.В. Кириченко. — М.: Издательство МЭИ. 2003. С.5 — 8, 18 — 24.

Соседние файлы в папке Лабники