Лабораторная работа №18а

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ НАКЛОННОГО МАЯТНИКА

Цель работы: ознакомиться со сложным механическим движением; определить коэффициенты трения различных пар материалов.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

На шарик, выведенный из положения равновесия, действуют следующие силы: тяжести , натяжения нити , реакции опоры и трения (рис.1). Под действием результирующей, являющейся геометрической суммой указанных сил , шарик совершает колебательное движение. Наличие силы трения между шариком и поверхностью качения приводит к уменьшения амплитуды колебаний шарика во времени. Работа сил трения может быть представлена в виде

где модуль силы трения F_mp =N; путь, пройденный шариком ,  - коэффициент трения; N – модуль силы реакции опоры; ; R - длина нити под­веса; α₀ - начальный угол отклонения шарика; α_n - конечный угол отклонения шарика; n - число полных колебаний, совершенных шариком при его движении.

Вследствие работы сил трения уменьшается механическая энергия шарика. Убыль механической энергии численно равна работе сил трения:

W₀-W_n=A_mp, (2)

где W₀,W_n - механическая энергия шарика в исходном и конечном состояниях.

В качестве начального и конечного состояний шарика наиболее удобно принимать положения его максимального отклонения, когда скорость движения шарика равна нулю, а механическая энергия численно равна потенциальной энергии шарика. В этом случае

A_mp=П₀-П_n=mg(h₀-h_n), (3)

где h₀, h_n - начальная и конечная высота подъема шарика. Вы­сота подъема шарика может быть выражена через угол наклона штанги β, угол отклонения шарика от положения равновесия в плоскости колебаний α и длину нити подвеса (рис.1)

h=Rcosβ(1-cosα), (4)

В этом случае выражение (3) принимает вид

A_mp=mgRcosβ(cosα_n-cosα₀)=

=

поскольку для малых углов (α≤5º0,09 рад) sinαα, то

и

Тогда

Сопоставляя соотношения (1) и (6), получаем выражение для коэффициента трения скольжения

где ₀ и _n выражены в радианах. Поскольку шкала для изме­рения углов ₀ и _n проградуирована в градусах, то рабочий вид формулы (7) имеет вид:

где углы a₀ и a_n выражены в угловых градусах.

Установка, используемая в настоящей работе, представлена на рисунке 2 и включает в свой состав: основание 1, вертикальную стойку 2, верхний кронштейн 3 с панелью 4, маятник скольжения и маятник качения, которые устанавливаются на верхнем кронштейне 3 поочередно. Основание 1 снабжено тремя регулируемыми опорами 5 и зажимом 6 для фиксации вертикальной стойки 2. Вертикальная стойка 2 выполнена из металлической трубы, на которую нанесена риска, показывающая угол отклонения панели 4 от вертикального положения. Панель 4 имеет прямоугольное окно, в котором устанавливаются сменные образцы в виде пластин. В нижней части панели нанесена шкала отсчета угла отклонения маятников. С помощью винта 7 панель отклоняется от вертикального положения. Угол отклонения панели определяется с помощью шкалы 8, закрепленной в нижней части панели.

Маятник скольжения представляет собой металлический стержень 9, снабженный призматической опорой 10 и обоймой 11, в которую устанавливаются сменные образцы в виде усеченного шара. Маятник качения представляет собой металлический шарик 12, подвешенный на капроновой нити 13. Шары являются сменными.

Определение коэффициентов трения качения и трения скольжения

1) Установить угол β наклона панели 4 равным 0 градусов. Используя маятник качения в качестве отвеса, при помощи регулировочных опор основания выставить стойку установки в строго вертикальном положении. Протереть исследуемые поверхности сменных пластин, усеченные шары и шары маятника качения этиловым спиртом и вытереть насухо.

2) Установить одну из сменных пластин на панель 4. Вставить усеченный стальной шар в обойму 11 маятника скольжения сферической поверхностью наружу. Повесить маятник скольжения при помощи призматической опоры 10 на верхний кронштейн 3 таким образом, чтобы усеченный шар соприкоснулся с установленной на панель пластиной, и ось маятника была параллельна лицевой поверхности панели. При необходимости подрегулировать положение основания так, чтобы указатель маятника оказался напротив нулевого деления шкалы отсчета угла отклонения маятника, но без нарушения вертикального положения стойки.

3) При помощи штангенциркуля измерить расстояние А (см. рис.2). Установить угол наклона панели β равным 2 градуса. Отвести рукой маятник в одно из крайних положений и записать начальный угол отклонения a₀ по шкале отсчета угла отклонения маятника. Отпустить маятник и записать угол отклонения a при совершении маятником n полных колебаний.

4) Определить коэффициент трения скольжения по формуле:

Формула (8) верна при условии, что угол градусам.

При установке сменной пластины из другого материала маятник необходимо подвешивать на том же расстоянии А.

5) Снять маятник скольжения. Установить маятник качения (стальной шарик) в такое положение, чтобы указатель маятника оказался напротив нулевого деления шкалы отсчета угла отклонения маятника. При заданном угле наклона панели β отклонить шарик 12 от положения равновесия на угол a₀ (например, пять градусов). Записать выбранный угол. Угол наклона панели и угол отклонения шарика выбираются таким образом, чтобы шарик катался по пластине без проскальзывания. Затем без толчка отпустить маятник и с этого момента начать отсчет колебаний. После того, как маятник совершит n полных колебаний, записать угол отклонения колебания маятника a,. Определить коэффициент трения качения по формуле:

где r = 0,01 м - радиус шара.

6) Оценить погрешности косвенных измерений коэффициентов трения качения и трения скольжения по формулам:

(10)

(11)

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое сила нормального давления? Запишите уравнение, связывающее силу трения с силой нормального давления.

3. Какие виды трения вы знаете?

4. Чем обусловлены силы трения?

5. В каких случаях силы трения играют положительную роль?

6. В каких случаях силы трения играют отрицательную роль?

7. Как можно изменить силу трения?