Т

Лабораторная работа.

Изучение законов трения.

Цель работы: изучить метод определения коэффициента трения

покоя (методом предельного угла) и

коэффициента трения скольжения .

Литература: 1. Александров Н.В., Яшкин А.Я. Курс общей физики.

Механика. М., Просвещение, 1978, с. 82-93.

2. Архангельский М.М. Курс физики. Механика. 1975.

гл.4, § 3-6.

3. Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физики.

Механика, 1978. с. 86-91.

Приборы и принадлежности: 1.Трибометр

2. Брусок,

3. Линейка.

4. Прямоугольный треугольник.

5. Набор разновесов

6.Секундомер

7.Металлическая корзиночка с привязанной к ней нитью.

Краткая теория.

Силы, касательные к поверхностям соприкасающихся покоящихся или движущихся относительно друг друга тел, называют силами трения. По происхождению они относятся к электромагнитному взаимодействию атомов и молекул тел.

Различают сухое и вязкое трение. Мы будем рассматривать сухое трение.

Силы сухого трения возникают, например, между несмазанными соприкасающимися поверхностями тел. На величину этих силу существенно влияют состояния поверхностей, их обработка, наличие загрязнений и т.д.

Т р е н и е п о к о я. Характерной чертой сухого трения является то, что сила сухого трения может существовать и тогда, когда нет относительного движения тел.

Величина и направление силы трения покоя определяется величиной и направлением той внешней силы, которая должна бы выбрать скольжение. Сила трения покоя всегда равна по величине и противоположна по направлению это внешней силе.

Сила трения покоя не может превосходить некоторого определенного значения, которая называется максимальной силой трения покоя.

До тех пор, пока внешняя сила не превосходит максимальной силы трения покоя F_мах скольжения тела не возникает.

Т р е н и е с к о л ь ж е н и я. Когда внешняя сила превосходит величину F_мах, возникает скольжение. Сила трения в этом случае называется силой трения скольжения.

Сила трения скольжения зависит от рода материала тел, степени обработки поверхностей, от скорости скольжения и некоторых других факторов.

В отдельных специальных случаях (трение металлических тел с очищенной поверхностью или твердых тел при специальной обработке) сила трения скольжения при малых скоростях для сравнительно небольшого интервала скоростей примерно равна силе трения покоя и не зависит от скорости движения.

З а к о н ы т р е н и я. Законы трения были впервые изучены Амонтоном и Кулоном. Они были уточнены в процессе дальнейшего развития физики и формулируются следующим образом.

1. Величина максимальной силы трения покоя пропорциональна силе, прижимающей тело в направлении перпендикулярном к поверхности. , где  - коэффициент трения.

2. Коэффициент трения зависит от рода материалов.

3. Коэффициент трения зависит от степени обработки трущихся поверхностей.

4. Сила трения зависит от относительной скорости движения тела.

5. Коэффициент трения не зависит от величины площади соприкосновения трущихся обработки поверхностей.

I часть.

Определение коэффициента трения

покоя методом предельного угла.

Коэффициент трения покоя  можно определить методом предельного угла, пользуясь трибометром – от греческого трибо-трение (рис.1).

_D

y

^В

h

х

^{O b  A}

Рис.1.

Плоскость AD может вращаться вокруг оси, проходящей через точку А. ( плоскости рисунка). Положив брусок на горизонтальную плоскость, а затем осторожно приподнимая ее, замечаем, что при некотором угле брусок сдвигается с места и начинает скользить по плоскости.

Этот угол называется предельным углом наклона.

Для определения коэффициента трения  рассмотрим силы, действующие на брусок. На него действует сила тяжести , сила реакции опоры и сила трения . Если рассматривать граничное условие покоя, то есть когда брусок только начинает двигаться, то можно считать, что под действием всех этих сил брусок находится в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения. Применив первый закон Ньютона для бруска, имеем:

+ + =0 (1)

Запишем это равенство в проекциях на ось х и у. Направление оси х совпадает с направлением движения бруска, ось у – с направлением силы реакции опоры.

(2),(3)

Решая систему уравнений (2),(3) с учетом того, что , а Р_n=N, получим . По этой формуле и определяется коэффициент трения покоя.

Методика выполнения работы.

Определение коэффициента трения покоя выполняется методом предельного угла.

1.Положить брусок гладкой поверхностью на горизонтальную плоскость и постепенно увеличивать угол наклона до тех пор, пока брусок не начнет скользить с наклонной плоскости.

2.Винтом зафиксировать это положение наклонной плоскости.

3.Измерить b и h (желательно b оставлять одной и той же величиной), найти ₀.

4.Опыт повторить не менее 3-х раз.

5.Результаты занести в таблицу.

6.Затем проделать то же самое для шероховатой поверхности.

(Должны быть приведены две таблицы для коэффициента трения покоя).

№ п/п	b, м	b, м	h, м	h, м	0	0
1
2
3
Cр

II часть.

Определение коэффициента трения скольжения.

Коэффициент трения скольжения μ можно определить, пользуясь установкой на рис.2.

р ис.2

Брусок А массой m соединений невесомой и нерастяжимой нитью с чашкой B, массой m₁, в которую помещены гири массой m₂. Брусок может скользить по поверхности CD. На чашку В помещают гири такой массы, при которой брусок А начинает скользить с небольшим ускорением без начального толчка.

При рассмотрении движения бруска применим второй закон динамики. Для этого рассмотрим силы, действующие на брусок (см.рис.2). Это силы: тяжести , реакции опоры , упругости нити , трения F_тр. Под действием этих сил брусок движется с ускорением . Уравнение 2-го закона динамики для бруска запишется так:

(4)

В проекции на ось Х имеем:

(5)

В проекции на ось Y имеем:

т.е. N=mg

В соответствии с 3-м законом динамики P_n=N, поэтому

(6)

Нужно определить m, а, F_у1.

Массу бруска можно определить взвешиванием. Ускорение «а» можно найти, пользуясь уравнением равноускоренного движения без начальной скорости:

(7)

Отсюда

(8)

где S – путь пройденный бруском при равноускоренном движении,

t – время, в течении которого брусок проходит расстояние S.

Для определения рассмотрим движение чашки В с гирями. Так как нить не растяжима, то любая ее точка движется с тем же ускорением а, что и брусок. На чашку с гирями действуют силы: тяжести и упругости со стороны нити (см.рис.2). Так как нить и блок невесомы, то

(9)

F_y2 определим, используя 2-й закон динамики для чашки с гирями

(10)

В проекции на ось Х (направленную вертикально вверх) выражение (10) примет вид:

(11)

Отсюда

(12)

Подставив (8) и (12) в (6), получим

(13)

Все величины, входящие в формулу (14), можно определить опытным путем.

Методика выполнения работы.

1. Определить на технических весах массу бруска m и чашки с нитью m₁ .

2. Поместить брусок гладкой поверхностью на горизонтальную плоскость и прикрепить к нему соединительную нить, другой конец которой вместе с чашкой перекинуть через блок.

3. На чашку положить гири такой массы m₂, чтобы брусок начал двигаться без начального толчка с небольшим ускорением.

4. Измерить расстояние S, на которое переместится брусок за время t (время измерить при помощи секундомера). Желательно расстояние выбирать одинаковым.

5. Опыты проделать не менее 3-х раз.

6. Результаты опытов занести в таблицу. Которую необходимо составить самостоятельно.

Контрольные вопросы.

1.Назовите и охарактеризуйте виды сухого трения.

1. Какова природа сил трения?

2. Что такое сила трения и как она измеряется?

3. Сформулируйте законы трения.

4. Назовите по 3-4 примера полезного и вредного действия сил трения. Назовите способы уменьшения сил трения.

5. От каких величин и как зависит ?

6. Выведите расчетную формулу.